Dos nuevos atlas de células humanas han mapeado la maquinaria molecular que construye tejido en las semanas posteriores a la concepción, y eventualmente podrían señalar el camino para abordar los trastornos del desarrollo.
Los investigadores detrás del Los atlas dicen que su método para el análisis unicelular, detallado en un par de estudios publicados por la revista Science, podría acelerar dramáticamente los esfuerzos para rastrear cómo se desarrollan las células individuales desde el embrión hasta la edad adulta.
“El punto clave es que el método escala exponencialmente ”, dijo el genetista de la Universidad de Washington Jay Shendure, autor principal de ambos estudios. “Cuando piensas en el cuerpo humano, hay 37 billones de células. Para obtener realmente el tipo de atlas completo que queremos, queremos este tipo de escalabilidad ”.
El coautor del estudio, Dan Doherty, profesor de pediatría de la Universidad de Washington, comparó la promesa del procedimiento con el impacto del Telescopio Espacial Hubble o el Proyecto Genoma. «Métodos unicelulares: es difícil sobreestimar su importancia para comprender la biología del desarrollo», dijo. «Realmente nos están dando una imagen que nunca habíamos visto antes».
¿Qué genes están activados o desactivados?
Un atlas se centra en la expresión génica en 15 tipos de tejido fetal, desde fases de desarrollo que van desde 10 a 18 semanas después de la concepción. La expresión génica se refiere a las formas en que los genes individuales de una célula se activan o desactivan para producir las proteínas que determinan la estructura y función de la célula.
Se perfilaron más de 4 millones de células de 121 muestras mediante un etiquetado de tres etapas técnica. Después de tres rondas de división y etiquetado, cada celda terminó siendo etiquetada con una combinación única de tres «códigos de barras» de ADN. Eso hizo posible realizar un seguimiento de las células sin separarlas físicamente.
“A partir de estos datos, podemos generar directamente un catálogo de todos los tipos de células principales en los tejidos humanos, incluida la forma en que esos tipos de células pueden variar en su expresión génica a través de tejidos ”, dijo Junyue Cao, autor principal del estudio, en un comunicado de prensa. Cao trabajó en el estudio como becario postdoctoral en el laboratorio de Shendure y ahora es profesor asistente en la Universidad Rockefeller.
Para confirmar sus hallazgos y llenar los vacíos en el atlas, los investigadores compararon sus resultados con un atlas similar de células embrionarias de ratón. . «Para algunos sistemas, esto esencialmente nos permitió tender un puente sobre la dinámica de la expresión génica desde la etapa embrionaria hasta la fetal del desarrollo de los mamíferos», dijeron en el estudio.
Los investigadores catalogaron 77 células principales tipos, que podrían clasificarse en 657 subtipos. Algunos de los principales tipos de células se encontraron en múltiples células de tejidos, pero la mayoría de ellos eran específicos de órganos. En algunos casos, la forma en que se desarrolló una célula dependió del tipo de tejido donde se encontró.
“Esto probablemente esté relacionado con las funciones específicas del tejido del órgano”, explicó Shendure. “En el pulmón, los vasos sanguíneos pueden tener diferentes razones o desencadenantes ambientales para contraerse o expandirse, qué señales dan en respuesta a diferentes niveles de oxígeno. Tiene sentido, si lo piensas bien ”.
Shendure dijo que él y sus colegas se sorprendieron al descubrir que la glándula suprarrenal estaba produciendo glóbulos rojos. «Clásicamente, las fuentes de sangre durante el desarrollo se consideran el hígado y el bazo», dijo.
¿Qué regiones del ADN están abiertas o cerradas?
El atlas complementario se centra en otro factor que gobierna la actividad genética. Una sustancia llamada cromatina controla cómo se empaqueta el ADN dentro de nuestros cromosomas, lo que hace que algunos tramos de ADN se abran y sean accesibles a la maquinaria molecular que lee las instrucciones, mientras que mantiene otros tramos cerrados e inaccesibles.
“El estudio de la cromatina te da una idea de la 'gramática' reguladora de la célula ”, dijo el coautor del estudio Darren Cusanovich, un alumno del laboratorio de Shendure que ahora es profesor en la Universidad de Arizona. «Los tramos cortos de ADN que están abiertos, o accesibles, se enriquecen con ciertas 'palabras', que a su vez son la base para que la célula especifique que quiere ciertos genes».
Los investigadores detrás del atlas de accesibilidad a la cromatina analizaron 720.000 células individuales de 53 muestras fetales que representan 15 tipos de tejido diferentes, utilizando un método de código de barras de tres etapas similar al que se usó para el estudio de expresión génica.
Buscaron asociaciones entre regiones abiertas de ADN y rasgos genéticos específicos de órganos , incluidas las enfermedades. En la mayoría de los casos, encontraron las asociaciones que buscaban. Por ejemplo, las regiones de ADN asociadas con la diabetes tipo 2 eran accesibles en las células endocrinas de los islotes, así como en las células asociadas con el hígado, el páncreas y el estómago.
“Si miras dónde está la señal para los estudios genéticos del asma, se puede encontrar en regiones abiertas en las células del pulmón ”, dijo Shendure. «A pesar de que se obtienen de tejidos fetales, todavía podemos ver esas señales en relación con enfermedades comunes de los adultos». Silvia Domcke, becaria postdoctoral de la Universidad de Washington, una de las autoras principales del estudio de cromatina, dijo que los resultados pueden revelar qué partes de el genoma es funcional aunque no codifica secuencias de proteínas.
“Aún no sabemos qué porcentaje del genoma que no codifica genes puede estar involucrado en la regulación de genes”, dijo Domcke. «Nuestro atlas ahora proporciona esa información para muchos tipos de células».
Cómo se podrían usar los atlas
Shendure dijo que es probable que los atlas mejoren nuestra comprensión de la maquinaria dentro de nuestras células, y cómo esa maquinaria se desarrolla de manera diferente en diferentes tipos de células. Eso podría traer nuevos enfoques para tratar los trastornos del desarrollo que son «individualmente raros pero colectivamente comunes, y a menudo devastadores cuando ocurren», dijo Shendure.
«En particular para este tipo de trastornos del desarrollo, los desafíos de la terapia son reales», dijo. dijo. «Por otro lado, existe una gran cantidad de datos para comprender cómo se desarrolla la regulación genética durante el desarrollo, lo que a su vez determina cómo se manifiestan estas enfermedades».
Shendure dijo que una frontera potencial se conoce como terapia de regulación cis. El enfoque aprovecha las herramientas de edición de genes como CRISPR, pero con un giro.
«Está utilizando CRISPR no para apuntar al gen, sino a la secuencia que transmite la señal reguladora», dijo Shendure. Los atlas celulares como los publicados hoy podrían identificar nuevos objetivos a los que perseguir.
En sus artículos de investigación, Shendure y sus colegas dicen que sus técnicas podrían extenderse a estudios unicelulares en otras etapas de desarrollo.
“Nosotros”. Estamos emocionados de ver a qué conducirá una mayor escala exponencial de estas tecnologías, en términos de nuestra capacidad para completar atlas de células humanas, así como para extenderlos a una variedad de enfermedades diferentes ”, dijo Shendure.
Un punto de controversia ha que ver con el uso de los estudios de tejido fetal humano. Las muestras se obtuvieron del Laboratorio de Investigación de Defectos de Nacimiento de la Universidad de Washington, que existe desde 1964. El laboratorio opera bajo un conjunto de pautas éticas elaboradas por los Institutos Nacionales de Salud, pero se ha visto envuelto periódicamente en el debate de décadas sobre el aborto.
Dan Doherty, de la Universidad de Washington, dijo que las muestras de tejido han sido «increíblemente valiosas» para el proyecto del atlas de células y muchos otros estudios de investigación.
«Este trabajo no podría haberse realizado en otros organismos», dijo. Ambos atlas unicelulares, además de otros recursos, están disponibles en línea a través de un sitio web en el Instituto Brotman Baty de Seattle conocido como DESCARTES (que representa, más o menos, DE velopmental S ingle C ell A tlas del gen R egula T ion y E xpre S sion). Además de su puesto en UW, Shendure es director científico del Brotman Baty Institute.
Colaboradores de UW Medicine, Brotman Baty Institute, Illumina, University of Arizona, Fred Hutchinson Cancer Research Center, Max El Instituto Planck de Genética Molecular y el Centro Médico de la Universidad de Rochester contribuyeron a los estudios. Los componentes de los estudios fueron financiados por el Instituto Brotman Baty, la Fundación Paul G. Allen Frontiers, la Iniciativa Chan Zuckerberg, el Instituto Médico Howard Hughes y los Institutos Nacionales de Salud.
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