Μελετώντας την Ανάπτυξη Κύτταρο προς Κύτταρο: Η Μεγαλύτερη Ανακάλυψη του 2018

Από την εποχή του Ιπποκράτη, ο τρόπος με τον οποίο ένα μοναδικό κύτταρο αναπτύσσεται τελικά σε ένα πλήρως λειτουργικό οργανισμό με πολλαπλά όργανα και δισεκατομμύρια κύτταρα, έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον των γιατρών και των βιολόγων. Ο Έλληνας ιατρός θεώρησε ότι η αναπνοή της μητέρας είναι αυτή που βοηθά το έμβρυο να αναπτυχθεί, ωστόσο σήμερα γνωρίζουμε ότι το DNA είναι αυτό που τελικά ενορχηστρώνει τις διαδικασίες μέσω των οποίων τα κύτταρα πολλαπλασιάζονται και ειδικεύονται. Σήμερα, ένας νέος συνδυασμός τεχνολογιών αποκαλύπτει πότε τα γονίδια του κάθε κυττάρου ενεργοποιούνται, έτσι ώστε το κάθε κύτταρο να αναλάβει το ρόλο του. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να παρακολουθήσουμε την ανάπτυξη των οργανισμών και των οργάνων με μεγάλη λεπτομέρεια, κύτταρο προς κύτταρο. Οι παραπάνω τεχνολογίες μπορεί να οδηγήσουν σε μεγάλες εξελίξεις στη βασική έρευνα αλλά και την ιατρική.

Στην κορυφή της πυραμίδας προόδου είναι οι τεχνικές απομόνωσης χιλιάδων κυττάρων από ζωντανούς οργανισμούς και η ανάλυση των γενετικού υλικού που εκφράζεται σε κάθε κύτταρο, καθώς και η χρήση υπολογιστών ή η σήμανση των κυττάρων, με σκοπό να αναδομηθούν οι σχέσεις τους στο χώρο και το χρόνο. Οι παραπάνω τεχνικές «θα αλλάξουν ριζικά την επόμενη δεκαετία της έρευνας», είπε ο Νικολάους Ραζέφσκι, ένας βιολόγος από το Κέντρο Μοριακής Ιατρικής Max Delbrück στο Βερολίνο. Το 2018, έρευνες κατάφεραν να περιγράψουν τη διαδικασία με την οποία σχηματίζονται τα όργανα στους πλατυέλμινθες, τα ψάρια και τους βατράχους. Διάφορες ερευνητικές ομάδες χρησιμοποιούν τις παραπάνω τεχνικές για να μελετήσουν τον τρόπο με τον οποίο ωριμάζουν τα ανθρώπινα κύτταρα, αναγεννώνται οι ιστοί και μεταβάλλονται τα κύτταρα στις διάφορες νόσους.

Η ικανότητα να απομονωθούν χιλιάδες κύτταρα και να αναλυθεί το γενετικό τους υλικό, δίνει στους ερευνητές μία εικόνα για το RNA που παράγεται σε κάθε κύτταρο εκείνη τη στιγμή. Επίσης, καθώς οι αλληλουχίες RNA είναι ειδικές ως προς τα γονίδια που τις παράγουν, οι ερευνητές μπορούν να δουν ποια γονίδια είναι ενεργά. Τα ενεργά γονίδια καθορίζουν τη λειτουργία του κυττάρου.

Ο συνδυασμός των τεχνικών, που είναι γνωστές ως single-cell RNA-seq, έχει εξελιχθεί τα τελευταία χρόνια. Ένα σημείο καμπής ωστόσο, σημειώθηκε πέρσι, όταν δύο ομάδες έδειξαν ότι μπορεί να γίνει σε αρκετά μεγάλη κλίμακα έτσι ώστε να παρακολουθήσουμε την αρχική ανάπτυξη. Η μία ομάδα χρησιμοποίησε την single-cell RNA-seq για να παρακολουθήσει τη γονιδιακή δραστηριότητα σε 8000 κύτταρα από έμβρυα μύγας φρούτων. Μία άλλη ομάδα, κατέγραψε την δραστηριότητα των γονιδίων σε 50.000 κύτταρα του νηματώδους Caenorhabditis elegans στο στάδιο της νύμφης. Τα δεδομένα έδειξαν ποιες είναι οι πρωτεΐνες (μεταγραφικοί παράγοντες) που προκαλούν τη διαφοροποίηση των κυττάρων σε εξειδικευμένες μορφές.

Το 2018, αρκετές ομάδες ερευνητών έκαναν ακόμα πιο εκτενείς αναλύσεις σε έμβρυα σπονδυλωτών. Χρησιμοποιώντας μία πληθώρα υπολογιστικών μεθόδων, κατάφεραν να συνδέσουν τις μετρήσεις του single-cell RNA-seq σε διάφορες χρονικές στιγμές για να αποκαλύψουν πότε γίνεται η ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των ομάδων γονιδίων που καθορίζουν τα είδη των κυττάρων που σχηματίζονται στους πιο σύνθετους αυτούς οργανισμούς. Μία έρευνα αποκάλυψε πώς ένα γονιμοποιημένο αυγό ψαριού-ζέβρα μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό 25 διαφορετικών κυτταρικών τύπων. Μία άλλη παρατήρησε την ανάπτυξη του βατράχου στα πρώιμα στάδια του σχηματισμού των οργάνων και παρατήρησε ότι ορισμένα κύτταρα ειδικεύονται νωρίτερα απ’όσο πιστεύαμε. «Οι παραπάνω τεχνικές έχουν απαντήσει σημαντικά ερωτήματα σχετικά με την εμβρυολογία», είπε ο βιολόγος βλαστοκυττάρων Λέοναρντ Ζον από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.

Η single-cell RNA-seq χρησιμοποιήθηκε επίσης από ερευνητές που εξέτασαν πώς ορισμένα ζώα μπορούν να δημιουργήσουν εκ νέου άκρα ή τμήματα του σώματός τους. Δύο ομάδες μελέτησαν τη γονιδιακή έκφραση σε υδάτινους πλατυέλμινθες (planaria) με μεγάλη ικανότητα αναγέννησης, μετά την αποκοπή τους σε πολλά κομμάτια. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν νέους κυτταρικούς τύπους και πορείες ανάπτυξης οι οποίες εμφανίστηκαν κατά την ανάπτυξη ενός τμήματος σε ολόκληρο οργανισμό. Μία άλλη ομάδα εξέτασε τα γονίδια που ενεργοποιούνται στη μεξικανική σαλαμάνδρα, όταν αυτή χάνει ένα από τα άκρα της. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ορισμένοι ώριμοι ιστοί επανήλθαν στην εμβρυονική, αδιαφοροποίηση μορφή και στη συνέχεια έκαναν εκ νέου κυτταρική και μοριακή διαφοροποίηση προκειμένου να δημιουργηθεί εκ νέου ένα άκρο.

Καθώς τα κύτταρα πρέπει να αφαιρεθούν από τον οργανισμό για να αναλυθεί η αλληλουχία τους, η παραπάνω τεχνική δεν μπορεί να δείξει πώς τα κύτταρα αυτά αλληλεπιδρούν με τα γειτονικά κύτταρα, ούτε να ταυτοποιήσει τους απογόνους τους. Εφόσον ωστόσο, τοποθετηθούν δείκτες στα πρώιμα εμβρυονικά κύτταρα, οι ερευνητές θα μπορούν να παρακολουθήσουν τα κύτταρα αυτά και τους απογόνους τους στους ζωντανούς οργανισμούς. Μία ερευνητική ομάδα εισήγαγε κινητά γενετικά στοιχεία με έγχρωμο φθορισμό που εναποτίθενται σε κύτταρα, σε εμβρυονικά κύτταρα. Το αποτέλεσμα ήταν η κάθε κυτταρική σειρά να έχει ένα μοναδικό χρωματισμό. Άλλες ομάδες χρησιμοποίησαν την τεχνική CRISPR για να προσδώσουν στο γονιδίωμα ξεχωριστών κυττάρων δείκτες αντίστοιχους με ένα «barcode», οι οποίοι μεταφέρθηκαν στους απογόνους τους. Ο επεξεργαστής γονιδίων μπορεί να προκαλέσει νέες αλλαγές στα κύτταρα-απογόνους διατηρώντας τις αρχικές αλλαγές, γεγονός που επιτρέπει στους ερευνητές να παρακολουθούν πώς σχηματίζονται νέα είδη κυττάρων.

Συνδυάζοντας τις παραπάνω τεχνικές με την single-cell RNA-seq, οι ερευνητές μπορούν να παρακολουθήσουν τη συμπεριφορά συγκεκριμένων κυττάρων και να δουν πώς ταιριάζουν στην αρχιτεκτονική του οργανισμού. Χρησιμοποιώντας την παραπάνω προσέγγιση, μία ομάδα ερευνητών ανέλυσε τις σχέσεις περισσοτέρων από 100 κυττάρων στον εγκέφαλο του ψαριού-ζέβρα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν CRISPR για να τοποθετήσουν δείκτες σε πρώιμα εμβρυονικά κύτταρα. Στη συνέχεια απομόνωσαν και ανέλυσαν την αλληλουχία 60.000 κυττάρων σε διάφορες χρονικές στιγμές για να παρακολουθήσουν τη δραστηριότητα των γονιδίων κατά την ανάπτυξη του εμβρύου.

Άλλες ομάδες χρησιμοποίησαν παρόμοιες τεχνικές για να παρακολουθήσουν τι συμβαίνει κατά την ανάπτυξη οργάνων, άκρων ή άλλων ιστών, καθώς και τις βλάβες που εμφανίζονται στις παραπάνω διαδικασίες με αποτέλεσμα την εμφάνιση διαφόρων νόσων. «Είναι κάτι σαν το μαύρο κουτί των αεροπλάνων, όπου παρακολουθούμε ακριβώς πού συμβαίνει η βλάβη και δεν εξετάζουμε μόνο το αποτέλεσμά της», είπε ο Τζόναθαν Γουάισμαν, ένας βιολόγος από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο. «Μπορούμε να εξετάσουμε διαδικασίες σε ένα βαθμό ανάλυσης που δεν ήταν δυνατός στο παρελθόν», συμπλήρωσε.

Αν και οι παραπάνω τεχνολογίες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα σε ανθρώπινα έμβρυα, οι ερευνητές χρησιμοποιούν τις διάφορες προσεγγίσεις σε ανθρώπινους ιστούς και οργανοειδή για να μελετήσουν τη δραστηριότητα των γονιδίων κύτταρο προς κύτταρο και να χαρακτηρίσουν τους διάφορους κυτταρικούς τύπους. Μία διεθνής κοινοπραξία που λέγεται Human Cell Atlas προσπαθεί εδώ και 2 χρόνια να ταυτοποιήσει κάθε τύπο ανθρώπινου κυττάρου, τη θέση του στον οργανισμό και τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα συνεργάζονται για για να σχηματίσουν ιστούς και όργανα. Μία ομάδα έχει ήδη καταφέρει να ταυτοποιήσει σχεδόν όλα τα είδη κυττάρων στους νεφρούς, μεταξύ των οποίων και αυτά που συνήθως γίνονται νεοπλασματικά. Μία άλλη ομάδα έχει αποκαλύψει την αλληλεπίδραση μεταξύ μητρικών και εμβρυικών κυττάρων η οποία επιτρέπει την συνέχεια της εγκυμοσύνης. Μία συνεργασία 53 φορέων και 60 εταιρειών στην Ευρώπη, το LifeTime consortium, πρότεινε να χρησιμοποιηθεί η single-cell RNA-seq σε μία προσπάθεια να κατανοήσουμε καλύτερα τι συμβαίνει στα κύτταρα κατά την εμφάνιση του καρκίνου, του διαβήτη και άλλων νόσων.

Η παρακολούθηση της ανάπτυξης και της διαφοροποίησης των κυττάρων επεκτείνεται συνεχώς και εξετάζει πιο σύνθετους οργανισμούς. Οι ερευνητές σκοπεύουν στο μέλλον να συνδυάσουν τη single-cell RNA-seq με νέες μικροσκοπικές τεχνικές για να διαπιστώσουν το σημείο που διαφοροποιείται η μοριακή δραστηριότητα του κάθε κυττάρου και πώς αυτή επηρεάζεται από τα γειτονικά κύτταρα.

Η επανάσταση στην ανάλυση των κυττάρων τώρα ξεκινά.

Βιβλιογραφία: Science

Ακολουθήστε μας στο Google News για την έγκυρη επιστημονική ενημέρωσή σας, έγκαιρα!

Μην χάσετε:
Σχετικά Αρθρα