Dvije su istraživačke skupine ovih dana objavile svoje rezultate u časopisima Science i Cell. Jedan je tim razvoj dvotjednog embrija nastalog iz oplođene jajne stanice, stanicu po stanicu, zabilježio, dok je drugi većinu dioba stanica tijekom stvaranja organa u embrijima pratio.
Obje je studije inspiriralo istraživanje iz ranih 1980-ih koje je označilo prekretnicu: prva – i do danas jedina – potpuna karta razvoja jedne životinje. Britanski biolog John Sulston isključivo je uz pomoć mikroskopa promatrao svaku pojedinu stanicu valjkastog crva Caenorhabditis elegans dok se životinja iz jedne jajne stanice razvijala u odraslu jedinku, s točno 959 somatskih, odnosno potpuno diferenciranih stanica.
Kod većine drugih životinja, osobito sisavaca, nije moguće na taj način pratiti staničnu lozu, kaže Jay Shendure, genomski istraživač sa Sveučilišta Washington, voditelj jednog od novih istraživanja. C. elegans je proziran i svaki se crv razvija na potpuno isti način: istih 959 stanica slijedi nepromjenjiv obrazac dioba. No kod sisavaca poput miševa – kod kojih je razvoj skriven, a broj stanica ide u milijarde – vanjski signali, primjerice čimbenici rasta, utječu na sudbinu stanica, primjerice hoće li završiti u plućima ili jetri.
Prema Shendureovim riječima, jedno od ključnih pitanja biologije jest kako ta nasumičnost može stvoriti jedinke iste vrste koje su otprilike istog oblika. „Blizanci izgledaju jednako, i ostali ljudi su otprilike slični, iako se i blizanci razvijaju kroz vrlo različite procese diobe stanica”, kaže stručnjak.
Shendure se tim pitanjem prvi put bavio oko 2016., kad je sa svojim timom razvio metodu temeljenu na tehnologiji uređivanja gena CRISPR, koja je u stanice zebrica u razvoju unosila „crtične kodove” – odnosno izmjene gena na određenim mjestima. Tim je zatim sekvenciranjem DNK provjeravao koji su crtični kodovi prisutni u različitim stanicama te iz toga zaključivao o vezama među stanicama.
No ti „zapisi podrijetla” temeljeni na CRISPR-u mogu oštetiti stanice ako se tijekom razvoja na njima napravi previše izmjena, kaže Jonathan Weissman, molekularni biolog s Instituta Whitehead, koji je vodio drugi tim. Kako bi izbjegli te probleme, timovi koje su vodili Shendure i Weissman primijenili su precizniju i manje štetnu tehniku, takozvano „prime uređivanje”, za ugradnju izmjena dok su se stanice dijelile tijekom razvoja embrija.
Shendureov je tim uzeo oplođenu jajnu stanicu miša i na njoj primijenio tehniku nazvanu „DNK pisaći stroj”, koja tijekom dioba stanica postavlja uzastopne, neizbrisive genetske oznake na određenim točkama genoma. Jajna stanica zatim je ugrađena u miša. Nakon dva tjedna, kad je embrij već razvio glavne organske sustave, istraživači su očitali izmjene koje je napravio „DNK pisaći stroj” i uspjeli rekonstruirati veze među 1,3 milijuna izmijenjenih stanica – oko 10% ukupnog broja stanica embrija.
Weissmanov je tim razvio sličnu metodu u genetski izmijenjenim embrionalnim matičnim stanicama miša, nazvanu „PE-praćenje”, koja pomoću prime uređivanja bilježi svaku pojedinu diobu stanica. Istraživači su analizirali embrije miša dobivene iz tih stanica dok je embrij iz skupine stanica dospijevao u fazu u kojoj je počelo stvaranje organa. U 14 embrija mapirali su veze među više od 1,4 milijuna stanica.
Oba su tima odredila i identitet stanica embrija – primjerice jesu li to prethodnice moždanih ili koštanih stanica – promatrajući transkripte mRNK kako bi procijenili koji su geni u njima bili aktivni. Na temelju tih informacija Shendureov je tim pokazao da su prve dvije stanice kćeri – nastale nakon prve diobe jajne stanice – slijedile slične putanje i pridonijele istim tipovima stanica. Weissmanov je tim pak utvrdio da u svakom embriju miša samo nekoliko stotina neuralnih prethodničkih stanica oblikuje mozak. To upućuje na to da razvoj slijedi iznenađujuće ponovljiv put, kaže William Colgan, računski biolog s Instituta Whitehead i supautor studije u časopisu Cell.
