Cómo crecen y se desarrollan las células humanas revelado a través de nuevos atlas moleculares


La interpretación de un artista de la creación de dos atlas de células que rastrean la expresión génica y la accesibilidad a la cromatina durante el desarrollo de tipos de células y tejidos humanos. Los atlas aparecen en la edición del 12 de noviembre de Science. Fueron desarrollados por el Instituto Brotman Baty de Medicina de Precisión y Medicina de la Universidad de Washington en Seattle. Crédito: Dani Bergy e Inessa Stanishevskaya / Cognition Studio, Inc.

Los dos atlas mapean la expresión y disponibilidad de genes a medida que las células se diferencian en diferentes tipos de células y tejidos.


Los investigadores de UW Medicine en el Instituto Brotman Baty en Seattle han creado dos atlas de células que rastrean la expresión génica y la accesibilidad a la cromatina durante el desarrollo de tipos de células y tejidos humanos.

Un atlas mapea la expresión génica dentro de células individuales en 15 tejidos fetales. El segundo atlas mapea la accesibilidad a la cromatina de genes individuales dentro de las células.

Juntos, los atlas proporcionan un recurso fundamental para comprender la expresión génica y la accesibilidad a la cromatina en el desarrollo humano sin precedentes en escala. Además, las técnicas descritas en los dos artículos permiten generar datos sobre la expresión génica y la accesibilidad de la cromatina para millones de células.


Los atlas se describen en publicaciones consecutivas en la edición del 13 de noviembre de la revista. Ciencias. Además de BBI y UW Medicine, otros colaboradores de Illumina, Inc., University of Arizona, Fred Hutchinson Cancer Research Center, Max Planck Institute for Molecular Genetics y University of Rochester Medical Center contribuyeron a estos estudios.

Atlas de expresión genética

La expresión genética es el proceso en el que una célula utiliza las instrucciones almacenadas en su ADN para dirigir la síntesis de proteínas. Estas proteínas, a su vez, determinan la estructura y función de una célula. El atlas de expresión génica mapea dónde y cuándo ocurre la expresión génica en diferentes tipos de células a medida que crecen y se desarrollan.

“A partir de estos datos, podemos generar directamente un catálogo de todos los tipos de células principales en los tejidos humanos, incluida la forma en que esos tipos de células pueden variar en su expresión génica en los tejidos”, dijo el autor principal, Junyue Cao. Completó este trabajo como becario postdoctoral en el laboratorio de Jay Shendure, profesor de ciencias del genoma en la UW Medicine, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y director científico del Instituto Brotman Baty. Cao es ahora profesor asistente en la Universidad Rockefeller.

“Existe un objetivo general del campo de perfilar los programas genéticos que están presentes en un ser humano a una escala tan amplia y con la mayor resolución posible”, dijo Shendure.

Para crear el atlas, los investigadores perfilaron la expresión génica en 15 tipos de tejido fetal utilizando una técnica llamada cienciaARN-seq3. Esta técnica etiqueta cada célula con una combinación única de tres “códigos de barras” de ADN, lo que permite a los investigadores realizar un seguimiento de las células sin separarlas físicamente.

Una vez que se obtuvieron las secuencias, utilizaron algoritmos informáticos para recuperar la información de una sola célula, agrupar las células por tipo y subtipo e identificar sus trayectorias de desarrollo. Los científicos perfilaron más de 4 millones de células individuales e identificaron 77 tipos de células principales y aproximadamente 650 subtipos de células.

También compararon el atlas con un atlas existente de desarrollo embrionario de ratón. El coautor principal Cole Trapnell, profesor asociado de ciencias del genoma en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington e investigador del Instituto Brotman Baty, explicó: “Cuando combinamos estos datos con datos publicados anteriormente, podemos delinear directamente la ruta de desarrollo de la célula para todas las células principales. tipos “.

Atlas de accesibilidad del ADN

El segundo atlas, de accesibilidad del ADN, mapea un material llamado cromatina que permite que el ADN se empaquete de manera apretada en el núcleo celular. La cromatina puede ser abierta y “accesible” para la maquinaria molecular que lee las instrucciones genéticas codificadas en el ADN o cerrada e “inaccesible”. Conocer las regiones de ADN que están abiertas y cerradas puede indicar cómo una célula elige activar y desactivar los genes.

Estudiar la cromatina te da una idea de la “gramática” reguladora de la célula ”, dijo el coautor principal Darren Cusanovich, anteriormente becario postdoctoral en el laboratorio de Shendure y ahora profesor asistente en la Universidad de Arizona. “Los tramos cortos de ADN que están abiertos, o accesibles, se enriquecen con ciertas ‘palabras’, que son, a su vez, la base para que la célula especifique que quiere ciertos genes”.

Para perfilar la accesibilidad del ADN en células individuales, los científicos desarrollaron un nuevo método, llamado sci-ATAC-seq3. Al igual que sci-RNA-seq3, esta técnica también utiliza tres “códigos de barras” de ADN diferentes en cada célula para etiquetar y rastrear células individuales. Sin embargo, en lugar de identificar todas las secuencias expresadas actualmente, sci-ATAC-seq3 captura y secuencia los sitios de cromatina abiertos.

Los científicos generaron casi 800,000 perfiles de accesibilidad de cromatina unicelular en aproximadamente 1 millón de sitios en 15 tejidos fetales en este estudio. Preguntaron qué proteínas podrían interactuar con los sitios de ADN accesibles en cada célula y cómo esas interacciones pueden explicar el tipo de célula. Este análisis define los interruptores de control para el desarrollo dentro del genoma. También identificaron sitios de accesibilidad a la cromatina que podrían estar asociados con enfermedades.

“Esto nos dice qué parte del genoma podría ser funcional. Todavía no sabemos qué porcentaje del genoma que no codifica genes puede estar involucrado en la regulación genética. Nuestro atlas ahora proporciona esa información para muchos tipos de células ”, dijo Silvia Domcke, coautora principal del artículo del atlas de accesibilidad y becaria postdoctoral en el laboratorio de Shendure. Los otros autores principales del estudio de accesibilidad del ADN son Andrew Hill, anteriormente biólogo computacional en el laboratorio de Shendure y ahora científico de 10x Genomics, y Riza Daza, científica investigadora del laboratorio de Shendure.

Referencias:

“Atlas de células humanas de expresión genética fetal”, 12 de noviembre de 2020, Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.aba7721

“Un Atlas de células humanas de accesibilidad a la cromatina”, 12 de noviembre de 2020, Ciencias.

Los componentes de estos estudios fueron financiados por el Instituto Brotman Baty, la Fundación Paul G. Allen Frontiers, la Iniciativa Chan Zuckerberg, el Instituto Médico Hpward Hughes y los Institutos Nacionales de Salud.

Pilar Benegas

Pilar Benegas es una reconocida periodista con amplia experiencia en importantes medios de USA, como LaOpinion, Miami News, The Washington Post, entre otros. Es editora en jefe de Es de Latino desde 2019.