Aprile 20, 2020
“Come vengono generati i diversi tipi di cellule nel corpo durante lo sviluppo embrionale da un uovo, che è solo una singola cellula? Questa è una delle domande fondamentali in biologia”, spiega il dott. Pierre Neveu, capogruppo dell’EMBL Heidelberg, esponendo le motivazioni alla base della ricerca che lui e il suo gruppo hanno svolto in collaborazione con il gruppo del Dr. Lars Hufnagel.
Mentre rispondere a questa domanda è essenziale per capire come si formano gli organismi pluricellulari, studiare i meccanismi di sviluppo che guidano questa diversificazione cellulare a livello di singola cellula, a livello del genoma e dell’embrione intero è un compito impegnativo. “Finora ci è mancata una comprensione completa dei programmi di espressione genica. Questi insegnano alle singole cellule a formare i diversi tipi cellulari necessari per costruire un embrione”, spiega la dott.ssa Hanna Sladitschek, prima autrice dello studio – ex postdoc presso EMBL Heidelberg e ora alla Facoltà di Medicina dell’Università di Padova. Nonostante i recenti progressi nel campo, finora non è stata raggiunta una rappresentazione completa dello sviluppo embrionale, che rappresenta ogni singola cellula nello spazio e nel tempo.
I ricercatori EMBL sono stati in grado di risolvere questo problema costruendo un “embrione virtuale” di Phallusia mammillata, un tipo di organismo marino noto come squirt marino, che si trova nel Mar Mediterraneo e nell’Oceano Atlantico. Questa specie è stata scelta come sistema modello perché è correlata ai vertebrati e ogni individuo ha lo stesso numero di cellule, rendendo più semplice combinare le osservazioni di molti campioni.
Questo embrione virtuale descrive l’espressione genica e la morfologia di ogni singola cellula di un embrione in ogni divisione cellulare nelle prime fasi di sviluppo, mostrando l’evoluzione da una singola cellula allo stadio di 64 cellule. Dopo queste prime sette divisioni cellulari, sono già specificati i destini del futuro nervo, cervello, cellule germinali, precursori delle cellule del sangue e muscoli. Questo lo rende la prima descrizione completa della contabilità di sviluppo iniziale per ogni singola cellula in un embrione. Descrive sia l’espressione genica – come vengono espresse e visualizzate le informazioni genetiche di una cellula – sia la posizione spaziale. Per generare questo atlante completo, i ricercatori hanno combinato la trascrittomica a singola cellula ad alta risoluzione e l’imaging a foglio di luce.
“Il nostro modello mostra che è possibile conoscere la posizione e la storia di una singola cellula analizzandone l’espressione genica”, afferma Neveu. “Inoltre, scopriamo che mentre la regolazione dell’espressione genica è molto precisa all’interno di un embrione, le differenze nei tempi di sviluppo spiegano la variazione osservata tra i singoli embrioni.”
L’espressione genica è generalmente considerata un processo rumoroso – in altre parole, che mostra un elemento di casualità – ma i nuovi risultati mostrano che è notevolmente riproducibile e coordinato tra le cellule in un dato embrione. “Come si ottiene tale coordinazione? In che modo l’embrione si coordina tra le due metà dell’embrione simmetrico speculare?” dice Neveu, evidenziando alcune delle nuove domande a cui gli scienziati vorrebbero rispondere.
“I nostri studi rappresentano un balzo in avanti nel campo emergente della genomica dello sviluppo”, afferma Hufnagel. “Ora che abbiamo lavorato con un organismo con un piccolo numero di cellule, sarà ovviamente molto interessante estendere il nostro lavoro ai mammiferi, che hanno molte più cellule!”
Materiale fornito dal laboratorio europeo di biologia molecolare. Originale scritto da Mathias Jäger.
Riferimenti:
Hanna L. Sladitschek, Ulla-Maj Fiuza, Dinko Pavlinic, Vladimir Benes, Lars Hufnagel, Pierre A. Neveu. MorphoSeq: dinamica completa del trascrittoma a singola cellula fino alla gastrulazione in un cordato. Cell, 2020; DOI: 10.1016 / j.cell.2020.03.055
Laboratorio europeo di biologia molecolare. “Unprecedented single-cell studies in virtual embryo.”ScienceDaily. ScienceDaily, 20 aprile 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200420125536.htm.