Ein Schnappschuss der Stammzellenexpression: Die Forschung zeigt die Kraft der Einzelzellgenomik | 2020

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Anonim

Stammzellen existieren in einem "Grundzustand", bevor etwas sie dazu veranlasst, sich zu funktionellen Zellen wie Leber-, Herz- oder Blutzellen zu entwickeln. Welche Funken sich ändern, hat viel damit zu tun, wie, wann und in welcher Reihenfolge die Gene in dieser Zelle exprimiert oder ein- und ausgeschaltet werden. Die Charakterisierung der Genexpression in Stammzellen ist für das Verständnis der grundlegenden Biologie von Gesundheit und Krankheit von entscheidender Bedeutung. Es kann auch dabei helfen, genetische Faktoren zu erkennen, die in die Reaktion einer Person auf ein Arzneimittel einfließen.

Forscher des Wellcome Trust Sanger Institute und des European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI) des EMBL haben mithilfe der Einzelzell-RNA-Sequenzierungstechnologie die Expression von Tausenden von Genen in rund 700 embryonalen Stammzellen (mESCs) von Mäusen untersucht. Genexpressionsmix ', der verschiedene Zellpopulationen charakterisiert. Sie fanden auch, dass diese Mischung die Länge des Zellzyklus bestimmt. Mit anderen Worten, Heterogenität in der Genexpression über Zellen hinweg untermauert das zelluläre Verhalten.

"Sie können eine Art Momentaufnahme dieses sehr dynamischen Prozesses der Genexpression machen und daraus viele Informationen ableiten", erklärt Ola Kolodziejczk vom EMBL-EBI und dem Sanger-Institut. "Es ist ein bisschen so, als würde man ein Foto von einer Menschenmenge auf dem Times Square am Silvesterabend von oben machen und alle Personen nach Alter sortieren, um sich einen Eindruck über ihren Lebenszyklus zu verschaffen, oder sie nach Kleidungsstil gruppieren, um abzuleiten, auf welche Party sie gehen werden weiter. "

Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung hilft Forschern zu erkennen, wie alle Zellen in unserem Körper unterschiedliche Formen annehmen, was sie möglicherweise tun, und die vielen Elemente zu erforschen, die zu ihrem Schicksal beitragen. In dieser Studie entwickelte das Team neue Ansätze, um zu charakterisieren, wie sich die Genexpressionsniveaus in drei verschiedenen Zuständen von Stammzelle zu Stammzelle unterscheiden.

"Eine wirklich aufregende Sache war, dass wir neue Gene identifiziert haben, die am regulatorischen Netzwerk der Stammzellen beteiligt sind, und unsere Ergebnisse mithilfe der CRISPR-Technologie validiert haben", sagt Jong Kyoung Kim vom EMBL-EBI. "Das bringt uns dem Schluss näher, wie das gesamte Netzwerk zusammengesetzt ist - und das kann uns wiederum Einblicke geben, was Stammzellen in einem Grundzustand hält und was sie dazu veranlasst, sich zu verändern."

Durch Zerlegen der verrauschten Genexpressionsmischung von Zelle zu Zelle konnten die Forscher eine seltene Subpopulation von Zellen aufdecken, die ein paar Markergene exprimieren, die auch von Zellen im Zwei-Zellen-Stadium des Embryos exprimiert werden und sich zu jedem Zelltyp entwickeln können ('totipotent'). Während die in dieser Studie identifizierten seltenen mESCs nur einige molekulare Merkmale des Zweizellsystems gemeinsam haben, werden sie wertvolle Ressourcen für die Erforschung der frühen Entwicklung liefern.

"Unsere Studie zeigt wirklich die Leistungsfähigkeit der Einzelzelltranskriptomik, wie sie biologisch relevante Heterogenität in der Expression aufdecken kann, die häufig durch traditionelle Methoden maskiert wird", sagt Sarah Teichmann, Gruppenleiterin am EMBL-EBI und am Sanger-Institut. "Es erweitert die Art und Weise, wie wir Beziehungen zwischen kultivierten Zellen und natürlicher Entwicklung finden, um eine völlig neue Dimension, die einen großen Unterschied in der Genomforschung ausmacht."