Modelos espaciales de transcripciones genéticas capturadas en células individuales de embriones de ratón – ScienceDaily

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Una nueva técnica llamada sci-Space, combinada con datos de otras tecnologías, podría conducir a atlas de cuatro dimensiones de expresión génica en diferentes células durante el desarrollo embrionario de mamíferos.

Dichos atlas mapearían cómo las transcripciones de genes en células individuales reflejan el paso del tiempo, los linajes celulares, la migración celular y la ubicación en el embrión en desarrollo. También ayudarían a iluminar la regulación espacial de la expresión génica.

El desarrollo embrionario de los mamíferos es un fenómeno notable: un óvulo fertilizado se divide repetidamente y se transforma, en semanas o meses, en un organismo complejo capaz de una miríada de procesos fisiológicos y compuesto por una variedad de células, tejidos, órganos y estructuras anatómicas.

Una mejor comprensión de cómo se forman los mamíferos antes del nacimiento, en particular los patrones espaciales prenatales de expresión génica a nivel de una sola célula durante el desarrollo embrionario, podría promover la investigación biomédica y veterinaria en una variedad de condiciones. Estos van desde enfermedades hereditarias hasta malformaciones congénitas y retrasos en el desarrollo. Comprender cómo se originan los órganos también podría ayudar a futuros esfuerzos de medicina regenerativa.

Un equipo internacional dirigido por científicos de la Universidad de Washington, el Instituto Médico Howard Hughes y el Instituto Brotman Baty de Medicina de Precisión de Seattle demostró una prueba de concepto para su técnica Sci-Space en embriones de ratón.

Sus resultados se publican en la edición del 2 de julio de Ciencias. Los autores principales son Sanjay R. Srivatsan del Departamento de Ciencias del Genoma de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington y Mary C. Regier del Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Washington.

Los autores principales son Jay Shendure, profesor de ciencias del genoma en UW Medicine y director del Brotman Baty Institute, así como investigador del Allan Discovery Center for Cell Lineage Tracing; Kelly R. Stevens, profesora asistente de bioingeniería de la Universidad de Washington; y Cole Trapnell, profesor asociado de ciencias del genoma. Regier y Stevens también son investigadores del Instituto de Medicina de la Universidad de Washington para la Investigación de Células Madre y Medicina Regenerativa.

Los investigadores observaron la orquestación de genes en 120.000 núcleos celulares. Todas las células somáticas del cuerpo contienen el mismo código de ADN. Los investigadores capturaron información sobre qué genes se activaron o desactivaron en estos núcleos cuando los embriones de ratón tomaron forma. Los científicos también estudiaron cómo la posición de las células en un embrión afectaba a los genes activados durante el desarrollo.

Esta técnica se basa en trabajos previos en los que estos científicos y otros grupos han desarrollado métodos para realizar perfiles de expresión génica y accesibilidad del código de ADN de todo el organismo, en miles de células individuales, durante el desarrollo embrionario. Hicieron esto para rastrear el surgimiento y la trayectoria de varios tipos de células.

La forma en que las células se organizan espacialmente, qué posiciones físicas asumen cuando se forma un embrión, es fundamental para el desarrollo normal. Los desplazamientos, interrupciones o células que no aparecen en el momento adecuado en el lugar adecuado pueden causar problemas graves o incluso la muerte prenatal.

Sin embargo, adquirir conocimiento de los patrones espaciales de expresión genética ha sido técnicamente difícil. Era engorroso analizar las transcripciones de genes de células individuales en grandes áreas del embrión. Esto tiene una comprensión científica limitada de cómo la organización espacial afecta la expresión génica y, en consecuencia, por qué se forman qué tipos de células y dónde, o cómo los grupos de células vecinas afectan los roles futuros de cada uno.

Los científicos del presente estudio habían desarrollado previamente un método para etiquetar núcleos celulares, una técnica llamada sci-Plex. Luego pasaron a indexar la secuenciación de ARN unicelular, con un método llamado secuenciación de ARN de ciencia ficción.

Ahora, con sci-Space, al analizar las coordenadas espaciales y las transcripciones de genes celulares, los científicos han identificado miles de genes cuya expresión se ha modelado anatómicamente. Por ejemplo, han surgido algunos perfiles genéticos en neuronas del cerebro y la médula espinal y otros en las células del músculo cardíaco del corazón.

Los científicos también utilizaron información espacial y de perfil genético para anotar subtipos de células. Por ejemplo, mientras que tanto las células de los vasos sanguíneos como el músculo cardíaco pueden expresar el gen de un factor de crecimiento particular, solo las células del músculo cardíaco producen ciertos receptores del factor de crecimiento.

Los investigadores también observaron que los tipos de células varían mucho en la extensión de su patrón espacial de expresión génica. Por ejemplo, las células progenitoras de tejido conectivo exhibieron una proporción relativamente grande de expresión génica espacialmente restringida. Esta observación sugiere que los subtipos de estas células se comportan de manera dependiente de la posición en todo el cuerpo.

Para medir el poder de la ubicación espacial en el perfil de transcripción de genes de un tipo de célula, los investigadores también calcularon la distancia física entre las células y la distancia angular de sus perfiles de expresión génica.

«Para muchos tipos de células, a medida que aumenta la distancia física entre las células, también aumenta la distancia angular entre sus transcriptomas», anotaron los investigadores en su artículo. Sin embargo, agregaron que esta tendencia varía mucho. Fue más pronunciado en algunas células del cerebro y la médula espinal.

Los perfiles de transcripción genética de algunos otros tipos de células fueron fuertemente influenciados por su ubicación en el embrión en desarrollo. Entre estos se encuentran algunas células de cartílago, que pasan a formar parte del andamiaje de los huesos de la cabeza y la cara.

Los investigadores también estudiaron la dinámica de la expresión genética que tuvo lugar como parte de la diferenciación y migración de las células cerebrales durante el desarrollo embrionario del ratón. Los investigadores examinaron cómo se distribuían anatómicamente las diversas trayectorias de las células cerebrales. Los investigadores hicieron esto utilizando el Atlas del cerebro de referencia anatómica del Instituto Allen como guía.

«Las células de cada trayectoria ocuparon abrumadoramente distintas regiones del cerebro», anotaron los investigadores. También observaron gradientes de madurez evolutiva en diferentes regiones del cerebro. Estos gradientes revelaron patrones de migración nuevos y conocidos.

En el futuro, los investigadores esperan que sci-Space se aplique más a las secciones en serie que abarcan todo el embrión del ratón y abarcan muchos puntos en el tiempo.

La investigación reportada recientemente fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Brotman Baty Institute, Paul G. Allen Frontiers Foundation y Washington Research Foundation.

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