Embriogenesi in 4D: un atlante dello sviluppo per geni e cellule
Una nuova tecnologia di imaging supera i limiti del 2D e cattura simultaneamente l'attività genica di 500 geni in interi tessuti
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Come fa un minuscolo ammasso di cellule a diventare un embrione con testa, tronco e coda? E come fanno migliaia di geni a coordinare questo sviluppo? Un nuovo metodo di imaging consente di visualizzare l'attività di migliaia di geni simultaneamente nell'intero embrione di zebrafish. Grazie a questa tecnologia, un team di ricerca dell'Università di Basilea ha creato un atlante di tutti i geni e le cellule coinvolti nella trasformazione di un gruppo di cellule in un embrione.
L'interazione tra geni e cellule durante lo sviluppo di un uovo fecondato in un embrione è molto complessa. I metodi precedenti catturavano l'attività genica solo in fette 2D, rendendo impossibile la visualizzazione dell'intero embrione e offrendo un dettaglio spaziale limitato, spesso mancante di schemi subcellulari.
Il nuovo metodo consente ora al gruppo di ricerca del professor Alex Schier del Biozentrum dell'Università di Basilea di visualizzare l'attività di migliaia di geni nell'intero embrione e di collegarli alla maturazione e al movimento delle cellule. Il risultato è un atlante completo dello sviluppo precoce e nuove conoscenze su come i geni e le cellule danno forma all'embrione in crescita. Lo studio è stato pubblicato su Science.
Un atlante 4D per geni e cellule
"Una domanda centrale è stata: Come lavorano insieme migliaia di geni in un embrione e come è collegata la loro attività al movimento delle cellule?", spiega il primo autore, il dottor Yinan Wan. Per rispondere a questa domanda, il team ha sviluppato una nuova tecnologia di imaging chiamata weMERFISH. Essa consente di misurare direttamente l'attività di quasi 500 geni in interi tessuti con una risoluzione subcellulare.
Da queste misurazioni, i ricercatori hanno creato un atlante dello sviluppo embrionale precoce. "Combinando i dati precedenti su singola cellula con le nostre misurazioni dell'attività genica, siamo stati in grado di calcolare i modelli spaziali di migliaia di geni e l'attività di circa 300.000 potenziali regioni regolatrici", spiega Wan. I dati sono liberamente accessibili attraverso la piattaforma web MERFISHEYES. "L'atlante vuole essere una risorsa per i biologi dello sviluppo di tutto il mondo".
Quando il tempo diventa visibile nello spazio
Le immagini non forniscono solo istantanee statiche, ma permettono di trarre conclusioni sui processi spaziali e temporali. Ad esempio, durante la formazione della coda, i ricercatori hanno osservato che le cellule lungo l'asse del corpo sono disposte in una sequenza di stadi di sviluppo: all'estremità della coda si trovano cellule staminali immature, mentre più avanti si trovano cellule sempre più mature, come quelle muscolari. "In un certo senso, è possibile vedere il tempo nello spazio", spiega Wan.
"È stato anche sorprendente che i cambiamenti nell'attività genica si allineino con il modo in cui le cellule si muovono nell'embrione, collegando le dinamiche dell'espressione genica ai movimenti morfogenetici".
Confini netti senza smistamento cellulare
Con l'aiuto dell'atlante, i ricercatori sono riusciti anche a chiarire come si formano i confini netti tra i diversi tessuti, ad esempio tra il tessuto muscolare e quello dorsale. Hanno scoperto una zona di cellule in cui l'attività di molti geni cambia drasticamente e differisce da una parte all'altra.
Un confronto tra le fasi iniziali e quelle successive ha mostrato che questi geni sono inizialmente attivi su entrambi i lati, ma in seguito solo su uno. E non ci sono quasi cellule che attraversano questo confine. "Questi confini non si formano perché le cellule si mescolano e poi si separano, ma soprattutto perché le cellule cambiano il loro programma genetico", spiega Alex Schier.
Una base per gli studi futuri
Con weMERFISH, l'atlante MERFISHEYES e l'integrazione dell'imaging dal vivo, i ricercatori hanno ora a disposizione un nuovo strumento. Esso consente di analizzare congiuntamente l'attività genica, la regolazione genica e il movimento cellulare nell'intero embrione.
In futuro, il team di Schier ha in programma di studiare altri stadi di sviluppo per completare ulteriormente il quadro dello sviluppo precoce dei vertebrati. "A lungo termine, vogliamo capire quali combinazioni di attività genica e comportamento cellulare sono necessarie per formare un organo o un tessuto specifico", spiega Schier. "Un giorno potremmo scoprire quanti modi ci sono per costruire un cuore o un midollo spinale".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Yinan Wan, Jakob El Kholtei, Ignatius Jenie, Mariona Colomer-Rosell, Jialin Liu, Qinghua Zhang, Joaquin Navajas Acedo, Lucia Y. Du, Mireia Codina-Tobias, Mengfan Wang, Wei Zheng, Edward Lin, Tzy-Harn Chuang, Oded Mayseless, Ahilya Sawh, Susan E. Mango, Guoqiang Yu, Bogdan Bintu, Alexander F. Schier; "Whole-embryo spatial transcriptomics at subcellular resolution from gastrulation to organogenesis"; Science, Volume 391
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