Организм взрослого человека состоит из триллионов клеток более 200 типов. Как человек развивается от единственной оплодотворенной яйцеклетки до взрослого человека – фундаментальный вопрос биомедицинской науки. Однако из-за этических проблем, связанных с проведением исследований на человеческих эмбрионах, детали этого процесса остаются в значительной степени неизвестными.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследовательская группа использовала другой подход. Они проанализировали генетические мутации в клетках, взятых из посмертной ткани взрослого человека. В частности, они определили мутации, которые возникают спонтанно на ранних этапах развития клеточных делений. Эти мутации, также называемые геномными рубцами, действуют как уникальные генетические отпечатки пальцев, которые можно использовать для отслеживания процесса эмбрионального развития.
Исследование, в ходе которого были изучены 334 одноклеточных колонии и 379 образцов тканей семи недавно умерших доноров человеческих тел, является крупнейшим одноклеточным полногеномным анализом, проведенным на сегодняшний день. Исследователи изучили геномные шрамы каждого человека, чтобы восстановить динамику их ранних эмбриональных клеток.
Результат выявил несколько ключевых характеристик процесса эмбрионального развития человека.
Во-первых, частота мутаций выше при первом делении клетки, но затем снижается примерно до одной мутации на клетку во время более позднего деления клетки. Во-вторых, ранние клетки вносили неравный вклад в развитие эмбриона у всех информативных доноров, например, на двухклеточной стадии одна из клеток всегда оставляла больше клеток-потомков, чем другая. Отношение к этому было разным от человека к человеку, подразумевая, что процесс варьируется от человека к человеку и не является полностью детерминированным.
Исследователи также смогли определить время, когда клетки начинают дифференцироваться в отдельные органоспецифические клетки. Они обнаружили, что в течение трех дней после оплодотворения эмбриональные клетки начали асимметрично распределяться по тканям левой и правой сторон тела, после чего следовала дифференцировка на три зародышевых листка, а затем дифференцировка в определенные ткани и органы.
«Это впечатляющее научное достижение, что за 20 лет после завершения проекта генома человека, геномная технология продвинулась до такой степени, что теперь мы можем точно идентифицировать мутации в геноме одной клетки», – сказал профессор Ён Сок Джу из Высшая школа медицинских наук и инженерии КАИСТ. "Эта технология позволит нам отслеживать эмбриогенез человека с еще более высоким разрешением в будущем."
Методы, использованные в этом исследовании, могут быть использованы для улучшения нашего понимания редких заболеваний, вызванных аномалиями эмбрионального развития, а также для разработки новых точных диагностических средств и методов лечения пациентов.
Исследование было проведено в сотрудничестве с госпиталем национального университета Кёнпук, Корейским институтом науки и технической информации, Медицинской школой Корейского католического университета, Genome Insights Inc и Immune Square Inc.
Эта работа была поддержана Фондом Сух Кёнбэ, Министерством здравоохранения и социального обеспечения Кореи, Национальным исследовательским фондом Кореи.