Ученые сфотографировали зародыш вместе со всеми ДНК внутри него

Ученые из Чикагского университета стали пионерами революционной технологии визуализации, называемой объемной ДНК-микроскопией. Она создает сложные трехмерные карты генетического материала, маркируя и отслеживая молекулярные взаимодействия, создавая невиданные ранее виды внутри организмов, таких как эмбрионы данио-рерио.

Традиционное генетическое секвенирование может многое рассказать о генетическом материале в образце, например, кусочке ткани или капле крови, но оно не показывает, где именно в этом образце расположены конкретные генетические последовательности или как они связаны с близлежащими генами и молекулами.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Чикагского университета разрабатывают новую технологию, которая фиксирует как идентичность, так и местоположение генетического материала. Метод работает путем маркировки отдельных молекул ДНК или РНК и отслеживания того, как взаимодействуют соседние метки.

Эти взаимодействия используются для построения молекулярной сети, которая отражает пространственное расположение генов, эффективно создавая трехмерную карту генетической активности. Известная как объемная ДНК-микроскопия, эта техника генерирует подробные трехмерные изображения целых организмов изнутри наружу — вплоть до уровня отдельных клеток.

Джошуа Вайнштейн, доктор философии, доцент кафедры медицины и молекулярной инженерии в Чикагском университете, более десяти лет занимался разработкой ДНК-микроскопии при поддержке Национальных институтов здравоохранения и Национального научного фонда.

В новом исследовании Вайнштейн и научный сотрудник-постдокторант Няньчао Цянь использовали эту технику для создания полной трехмерной карты ДНК эмбриона данио-рерио — широко используемой модели для изучения развития и нервной системы. «Это уровень биологии, который никто никогда не видел прежде, — сказал он. — Возможность увидеть такой взгляд на природу изнутри образца — это волнительно».

В отличие от традиционных микроскопов, которые используют свет или линзы, ДНК-микроскопия создает изображения, вычисляя взаимодействия между молекулами, предоставляя новый способ визуализации генетического материала в 3D.

Сначала к клеткам добавляются короткие метки последовательностей ДНК, называемые уникальными молекулярными идентификаторами (UMI). Они прикрепляются к молекулам ДНК и РНК и начинают делать копии самих себя. Это запускает химическую реакцию, которая создает новые последовательности, называемые уникальными идентификаторами событий (UEI), которые являются уникальными для каждой пары.

Именно эти пары помогают создать пространственную карту расположения каждой генетической молекулы. Пары UMI, которые находятся близко друг к другу, взаимодействуют чаще и генерируют больше UEI, чем те, которые находятся дальше друг от друга. После того, как ДНК и РНК секвенированы, вычислительная модель реконструирует их исходные местоположения, анализируя физические связи между UMI-тегами, создавая пространственную карту экспрессии генов.

Вайнштейн сравнивает эту технику с использованием данных с мобильных телефонов, пингующих друг друга, для определения местоположения людей в городе. Знание номера мобильного телефона или IP-адреса каждого человека похоже на знание генетической последовательности одной молекулы, но если вы можете наложить их взаимодействие с другими телефонами поблизости, вы также можете вычислить их местоположение.

«Мы можем сделать это с мобильными телефонами и людьми, так почему бы не сделать это с молекулами и клетками, — сказал он. — Это переворачивает идею визуализации с ног на голову. Вместо того, чтобы полагаться на оптический аппарат, чтобы пролить свет, мы можем использовать биохимию и ДНК, чтобы сформировать массивную сеть между молекулами и кодировать их близость друг к другу».

Микроскопия ДНК не опирается на предварительные знания о геноме или форме образца, поэтому она может быть полезна для понимания генетической экспрессии в уникальных, неизвестных контекстах. Например, опухоли генерируют бесчисленное множество новых генетических мутаций, поэтому инструмент сможет составить карту микросреды опухоли и определить, где она взаимодействует с иммунной системой.

Иммунные клетки взаимодействуют друг с другом и реагируют на патогены контекстно-специфическими способами, поэтому микроскопия ДНК может помочь раскрыть эти генетические механизмы. Такие приложения, в свою очередь, могли бы направлять более точную иммунотерапию рака или разрабатывать персонализированные вакцины.

«Это критически важная основа для возможности иметь действительно всеобъемлющую информацию об ансамбле уникальных клеток в лимфатической системе или опухолевой ткани, — сказал Вайнштейн. — Все еще существует этот большой пробел в технологии, позволяющий нам понимать идиосинкразическую ткань, и это то, что мы пытаемся здесь заполнить».

Исследование нервных клеток человека и шимпанзе показало, как быстрое изменение ДНК способствует развитию сложных когнитивных функций. Способности к сложному языку и цивилизации объясняются уникальным ДНК, которое, согласно ученым, эволюционировало быстрее в некоторых участках хромосом, предоставляя преимущество в развитии мозга. Однако такая эволюция может также увеличить предрасположенность к психическим расстройствам.