수정 된 난자는 먼저 두 세포로, 4, 8 등으로 나뉩니다. 한편, 이들 세포는 클러스터의 미분화 된 얼룩에서 심장, 뇌, 근육, 혈액, 뼈 및 기타 조직과 관련된보다 다양한 정체성으로 진행됩니다. 전반적인 과정은 친숙하지만 과학자들은 그것을 자세히 이해하지 못했습니다.
그러나 오늘날 Science 에 3 개의 논문이 나타납니다 그들이 발달 생물학 분야에 큰 중요성을 가진 작업을 공개함에 따라 변화를 바꾸고 있습니다. 유전자 시퀀싱과 수학적 방법의 조합을 사용하여 연구원들은 처음 24 시간 동안 많은 개발 단계를 통해 얼룩말 물고기와 서부 발톱 개구리의 모든 세포에서 유전자 발현 패턴을 추적했습니다.
결과는 이전에 불가능한 해상도와 규모로 배아 세포가 완전히 분화 된 조직에서 그들의 최종 운명을 따르는 유전자 및 발달 궤적을 보여 주었다. 예를 들어, 많은 생물 학자들은 배아 세포가 항상 성숙을 향한 분기 경로를 따라 특정 운명에 돌이킬 수 없을 정도로 그들을 돌이킬 수 없게 만들었다 고 믿었습니다. 그러나 새로운 데이터는 세포가 사실상 다른 경로를 따르기 위해 "루프 뒤로"될 수 있으며, 발달 이력이 다른 세포가 때때로 같은 유형의 세포로 끝날 수 있음을 나타냅니다.
이 분야의 전문가들에 따르면이 보고서에 사용 된 강력한 기술은 개발, 세포 운명 및 질병을 연구 할 수있는 능력에 새로운 국경을 표시합니다. 케임브리지 대학교의 분자 생물 학자 인 Berthold Göttgens는“연구에 관심이있는 조직이 무엇이든,이 데이터 세트에는 관심을 가져야 할 것이 있습니다. 게놈 시퀀싱 연구의 증가로 인해 생물학이 다른 기반에 생성 된 것처럼,“이런 종류의 기초 데이터는 시간의 테스트를 견딜 것입니다. 사람들이 다시 돌아올 것입니다.”
하버드 대학교의 세포 생물 학자이자 연구 중 하나에 대한 저자 인 알렉산더 쉬어 (Alexander Schier)는“이와 같은 데이터가 열릴 가능성이있다”고 말했다. “이전에, 우리가 몇 개의 유전자 나 몇 개의 세포 또는 몇 개의 발달 단계에서만 작업 할 수 있었을 때, 우리는 2 ~ 3 개의 별을 보는 것과 같습니다. 이제 우리는 갑자기 전체 은하를 볼 수 있습니다.”
전통적으로 발달 생물 학자들은 분열 배아에 세포를 염색하고 공간 궤적을 추적하거나 특정 유전자를 표적으로하고 유기체에 미치는 영향을 조사했습니다. 최근에는 편집 기술을 사용하여 "바코드"를 세포 DNA에 통합했습니다. 세포가 분열되면, 바코드는 공유 세포 계통을 결정하는 데 사용할 수있는 돌연변이를 획득합니다.
이 연구는 Science 에 발표되었습니다 다른 접근 방식을 취합니다. 하버드 시스템 생물 학자 인 알론 클라인 (Allon Klein), 마크 키르 치너 (Marc Kirschner), 션 메가 슨 (Sean Megason)과 동료들은 두 논문에서 각 세포에서 메신저 RNA의 발현을 측정했다. 하나의 논문은 해당 데이터를 바 코딩 기술과 결합했습니다. 메신저 RNA 데이터는 발현 된 유전자를 기반으로 각 세포의 정체성을 정의했으며, 바 코딩은 해당 세포 출처에 대한 정보를 제공했습니다.
이 데이터의 분석은 수년간의 힘든 조사 후 다른 과학자들이보고 한 많은 발견을 확인했습니다. Klein은“수십 년간의 개발 생물학 연구가 데이터에 인코딩 된 것을 보게되어 기뻤습니다.
그러나 그들의 실험은 또한 새로운 발견으로 나아 갔다. “오래된 기술을 사용하면 도시 수준에서지도에 해당하는 것을 상상할 수 있습니다. 그러나 피츠버그와 비교하여 필라델피아 필리 (Philly Philly)는 여전히 무엇을 만들었는지 알지 못했습니다.”하버드 의과 대학의 줄기 세포 생물학자인 레너드 존 (Leonard Zon)은 연구에 참여하지 않았다. "이제 그 캐릭터에 대한 설명을 얻을 수 있습니다 :어떻게 구성되는지, 어디에서 왔는지, 무엇을하고 있는지."
발달 과정은 종종 나무와 같은 무언가로 시각화되며, 수정란은 기저부에 있고 나중에 세포가 분기되어 모든 세포 유형이 나타날 때까지 전문화됩니다. 그리고 처음 12 시간 동안 얼룩말 물고기 배아를 연구 한 Schier의 그룹은이 토폴로지를 확인했습니다.
.그러나 후기에는“나무로서 발전을 생각하는 것이 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 설명이 좋지 않을 수 있습니다.”라고 Klein은 말했습니다. 오래된 가정을 무시할 때, 지점은 때때로 함께 모여 루프에서 같은 경로로 수렴합니다. 발달 이력이 매우 다른 세포는 매우 유사한 목적지에 도달 할 수 있습니다.
요컨대, 세포는 과학자들이 생각한 것보다 더 플라스틱 일 수 있으며, 비교적 늦게 특정 조직이 될 수 있습니다. Zon은“이것은 조직을 만드는 방법에 대해 생각하는 또 다른 방법입니다.
Klein 은이 결과는 개발 과정에서 실제로 일어나고있는 일과 성인 유기체에서 끝나지 않는 세포의 모든 중간 상태의 중요성에 대한 더 큰 의문을 제기한다고 덧붙였다. 발달의 유일한 목적이 특정 세포 유형을 생성하는 것이라면, 이론적으로, 필요한 유전자 프로그램은 세포에서 바로 전환 될 수있다 :성숙한 근육, 뼈, 신경 및 기타 조직은 거의 처음부터 배아에 존재할 수있다. 그러나 대신, 발달은 과정이며, 올바른 세포는 배아의 성장과 변형을위한 패턴을 배치하기 위해 적절한시기와 장소에서 나타나야한다. 과도기 상태의 세포는 어떤 목적을 향한 단계가 아니라 고유 한 기능과 발달 가치를 가질 수 있습니다. 배아의 다른 부분은 궁극적으로 동일한 세포 유형을 일으키더라도 다른 중간 단계가 필요합니다.
그것은 나무 은유를 방해하는 것처럼 보이는 유일한 종류의 세포 가소성이 아닙니다. Schier의 그룹은 특정 세포가 하나 이상의 발달 운명을 위해 마커 분자를 표현한 것으로 관찰했습니다. 비록 이미 한 경로를 내려 가고 있지만 바깥 쪽 신호는 여전히 다른 경로에 닿을 수 있습니다. Schier는이 세포들이 조직 사이의 경계에 사는 세포 일 수 있다고 추측합니다. 하나의 조직 유형이되도록 정확한 지시를 따르는 대신, 지역적 상호 작용과 신호에 따라 모호성을 유지하여 모호성을 유지합니다.
발달 세포의 새로 드러난 가소성은 현기증이 발생할 수 있지만 하버드 연구원들은 데이터에서 그 복잡성의 일부를 줄일 수있는 일반적인 패턴을 찾기를 희망합니다. 클라인과 그의 동료들은 놀라운 발견을했다 :그들이 연구 한 얼룩말 물고기와 개구리 모두에 공통적 인 단백질 유전자에 대한 유전자는 30 %만이 통계적 유의성을 가진 유사한 패턴으로 발현되었다. 동물은 나머지를 완전히 다른 방식으로 표현했으며, 이는 유전자가 진화 과정에서 발현 프로그램에 적응했음을 시사했다. 서열 수준에서 단백질의 보존은 진화에서 그들의 발현의 보존과 관련이없는 것으로 보인다.
클라인은“정말 충격으로왔다. "우리를 한동안 불편하게 만들었습니다." 그러나 그것은 또한“진화의 또 다른 방법은 땜질 할 수있다”고 대표했다.
그와 그의 동료들은 다른 사람들이 이러한 비교 노력을 남은 생명 나무로 확장하기를 희망합니다. 예를 들어, Göttgens는 혈액 시스템의 형성과 마우스 배아에서 심장을 일으키는 세포의 최초 다각화를 연구하기 위해이 접근법을 적용하고 있습니다. 그의 연구는 이러한 경로에서 핵심 역할을하는 유전자를 분리하는 데 중점을 두었습니다. Klein과 Schier의 그룹은 돌연변이를 도입하고 세포 의사 결정에 어떤 영향을 미치는지 관찰함으로써 행동하고자합니다.
.다양한 유기체의 훨씬 더 많은 데이터 세트를 통해 연구자들은 발전이 진화 역사 전체에서 어떻게 개발이 적응했는지, 그리고 그 결과로 세포 유형이 어떻게 발전하고 등장했는지에 대한 광범위한 질문을 할 수 있습니다. Klein과 그의 팀이 얼룩말 물고기의 유전자 발현 수준과 개구리 사이에서 관찰 한 차이점을 취하십시오. 과학자들이 보존되고 있지 않은 것을 설명 할 운율이나 이유를 찾을 수 있다면 개발에 대한 기본 규칙을 세우는 데 도움이 될 수 있습니다. (현재 Klein은 보존 된 발현 패턴을 가진 유전자가 전사 조절제 인 경향이있는 것처럼 보인다. 이는“진화가 발달하는 방법에 대한 발자국을 제시했지만 실제로 특정 세포 유형이되는 것은 적응의 대상이되었다”)
.과학자들은 조직과 기관 내의 세포가 더 차별화 될 때이 초기 배아 작업이 발달의 후반 단계에 대해 밝힐 수있는 것에 대해 흥분합니다. Schier의 팀은 현재 현재 연구에 매핑 된 25 개보다 많은 세포 유형을 구성하는 것과 같이 현재 작업을 뇌로 확장하고 있습니다. 그 작업은 결국 질병의 발병 방식에 대한 중요한 통찰력을 제공 할 수 있습니다. Göttgens는“우리가 심장의 모든 다른 비트가 어떻게 형성되는지 모른다면 선천성 심장병에서 실제로 무엇이 잘못되고 있는지 이해하기가 어렵습니다.”라고 Göttgens는 말했습니다.
그 지식의 이점은 잠재적 인 치료법으로 확대 될 수 있습니다. Klein 's와 Schier의 기술은 특정 세포 유형을 만드는 방법에 대한 레시피를 제공하며, 이는 재생 의학에 사용하여 세포 운명을 의도적으로 조작 할 수 있습니다. 특정 유전자를 켜거나 끄는시기를 알고 세포의 가소성과 중간 단계의 중요성을 설명하면 생체 공학자가 더 나은 조직을 만들도록 도와 줄 수 있습니다. 또한 연구자들이 암 치료를 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 종양의 세포 유형을 더 잘 식별하고 개별 이력을 통해 연구원들은 더 악성 또는 약물 내성 인 세포를 더 잘 표적으로 할 수 있습니다.
그러나 그 동안 하버드 그룹은 설명 된 세포 결정의 기본 메커니즘을 결정하기를 원합니다. 다양한 요인이 이러한 경로에 어떤 영향을 미치는지 이해하고 분지 지점이 수행하는 곳에서 발생하는 이유 및 어떤 유전자가 해당 사건에 책임이 있는지 이해합니다. Klein은 이러한 연구가 그들의 발견의 기초가되는 일종의 글로벌 논리를 가려 주겠다고 희망한다. 그런 다음 이미 본 복잡성에도 불구하고“우리는 개발이 우리가 생각하는 것보다 더 간단하다는 것을 이해할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다.
수정 :6 월 13 일, Huw Williams와 James Smith의 작품을 인식하기 위해 Time-Lapse 비디오의 트리오에 대한 크레딧이 업데이트되었습니다.
