"Kako se mnoge različite vrste stanica u tijelu stvaraju tijekom embrionalnog razvoja iz jajeta, koje je samo jedna stanica? Ovo je jedno od najosnovnijih pitanja u biologiji", objašnjava dr. Pierre Neveu, grupa voditelj u EMBL Heidelbergu, izlažući razloge istraživanja koje su on i njegova grupa proveli u suradnji sa grupom dr. Larsa Hufnagela.
Dok je odgovor na ovo pitanje ključan za razumijevanje kako se formiraju višestanični organizmi, proučavanje razvojnih mehanizama koji pokreću ovu staničnu diverzifikaciju na razini jedne stanice, cijelog genoma i cijelog embrija je izazovan zadatak."Do sada nam je nedostajalo sveobuhvatno razumijevanje programa ekspresije gena. Oni upućuju pojedinačne stanice na formiranje različitih tipova stanica potrebnih za izgradnju embrija", objašnjava dr. Hanna Sladitschek, prva autorica studije - bivša postdoktorica na EMBL Heidelbergu a sada na Medicinskom fakultetu Sveučilišta u Padovi. Unatoč nedavnim napretcima na tom području, potpuni prikaz embrionalnog razvoja, uzimajući u obzir svaku pojedinu ćeliju u prostoru i vremenu, do sada nije postignut.
Istraživači EMBL-a uspjeli su riješiti ovaj problem konstruiranjem 'virtualnog embrija' Phallusia mammillata - vrste morskog organizma poznatog kao morska štrcaljka, koja se nalazi u Sredozemnom moru i Atlantskom oceanu. Ova vrsta je odabrana kao modelni sustav jer je povezana s kralježnjacima i svaki pojedinac ima isti broj stanica, što olakšava kombiniranje opažanja iz mnogih primjeraka.
Ovaj virtualni embrij opisuje ekspresiju gena i morfologiju svake pojedinačne stanice embrija u svakoj diobi stanice u ranim fazama razvoja - pokazujući evoluciju od jedne stanice do stadija od 64 stanice. Nakon ovih prvih sedam staničnih dioba, sudbina buduće živčane moždine, mozga, zametnih stanica, prekursora krvnih stanica i mišića već je određena. To ga čini prvim potpunim opisom ranog razvoja koji uzima u obzir svaku pojedinu stanicu u embriju. Opisuje ekspresiju gena – kako se genetska informacija stanice izražava i pojavljuje – i prostorni položaj. Kako bi generirali ovaj sveobuhvatan atlas, istraživači su kombinirali transkriptomiju jedne ćelije visoke razlučivosti i svjetlosne slike.
"Naš model pokazuje da je moguće znati lokaciju i povijest pojedinačne stanice analizirajući njezinu ekspresiju gena", kaže Neveu. "Osim toga, otkrivamo da, iako je regulacija ekspresije gena vrlo precizna unutar embrija, razlike u vremenu razvoja objašnjavaju uočene varijacije između pojedinačnih embrija."
Izražavanje gena općenito se smatra bučnim procesom - drugim riječima, procesom koji pokazuje element slučajnosti - ali novi rezultati pokazuju da je izvanredno reproducibilan i koordiniran u stanicama u danom embriju."Kako se postiže takva koordinacija? Kako embrij koordinira između dvije zrcalno simetrične polovice embrija?" kaže Neveu, ističući neka od novih pitanja na koja bi znanstvenici htjeli odgovoriti.
"Naše studije predstavljaju iskorak u novonastajućem području razvojne genomike", kaže Hufnagel. "Sada kada smo radili s organizmom s malim brojem stanica, bit će, naravno, vrlo zanimljivo proširiti naš rad na sisavce, koji imaju mnogo više stanica!"
