Ważne informacje na temat ewolucji głowy kręgowców

Komórki pochodzące z grzebienia nerwowego czaszki (CNCC) to populacja specyficzna dla kręgowców, często określana jako linia zarodkowa warstwy IV. Mają niezwykły potencjał do tworzenia różnych typów komórek. Oprócz komórek pigmentowych i obwodowego układu nerwowego, CNCC tworzą zewnętrzną, regularną tkankę, która wypełnia łuki gardła i daje początek dużej części szkieletu i tkanki łącznej szczęki i twarzy.

Nie wyjaśniono jeszcze, w jaki sposób komórki grzebienia nerwowego uzyskują tak niezwykły potencjał genealogiczny, jak generowanie ogromnej różnorodności pochodnych, w tym większości tkanki łącznej i szkieletowej głowy kręgowca.

Teraz naukowcy z laboratorium Gage Crump stworzyli na przestrzeni czasu serię atlasów, aby zrozumieć decyzje molekularne podejmowane przez CNCC w celu utworzenia określonych tkanek w rozwoju danio pręgowanego. Ich odkrycia, opublikowane w Komunikacja przyrodnicza, może dostarczyć nowych informacji na temat prawidłowego wzrostu głowy, a także wad wrodzonych czaszki i twarzy.

Sztuczne centra neuronowe od dawna fascynują biologów niesamowitą różnorodnością typów komórek, które mogą wytwarzać. Badając ten proces w genetycznie identyfikowalnym danio pręgowanym, zidentyfikowaliśmy kilka potencjalnych przełączników, które umożliwiają CNCC tworzenie tych bardzo różnych typów komórek.” powiedział Gage Crump, profesor komórek macierzystych biologia oraz medycyna regeneracyjna w Keck School of Medicine na Uniwersytecie Południowej Kalifornii.

Prowadzona przez doktora Petera Fabiana i doktora. Studenci Kuo-Chang Tseng, Mathi Thiruppathy i Claire Arata, zespół naukowców trwale znakowali CNCC czerwonym białkiem fluorescencyjnym, aby śledzić typy komórek, które pochodziły z CNCC przez cały okres życia danio pręgowanego.

Aby zrozumieć powstawanie i zróżnicowanie linii CNCC na przestrzeni życia kręgowców, naukowcy stworzyli jednokomórkowy atlas podłużny ekspresji genów i dostępności chromatyny dla pochodnych CNCC danio pręgowanego.

Ogromna ilość wygenerowanych danych wymagała od naukowców opracowania nowego narzędzia obliczeniowego, aby je zrozumieć.

„Stworzyliśmy rodzaj analizy obliczeniowej, którą nazwaliśmy »konstelacjami«, ponieważ końcowy efekt wizualny tej techniki przypomina konstelacje gwiazd na niebie”. powiedział Fabian. „W przeciwieństwie do astrologii, nasz algorytm horoskopu może naprawdę przewidzieć przyszłość komórek i ujawnić kluczowe geny, które mogą kontrolować ich rozwój”.

Dzięki temu nowemu podejściu bioinformatycznemu zespół odkrył, że CNCC nie zaczyna się od wszystkich informacji potrzebnych do stworzenia ogromnej różnorodności typów komórek. Zamiast tego CNCC zaczyna się reorganizować dopiero po rozprzestrzenieniu się na płód dziedziczny Substancje przygotowujące do stania się specyficznymi tkankami. Konstelacje precyzyjnie zidentyfikowały markery genetyczne, które wskazują na te specyficzne losy CNCC. Eksperymenty w rzeczywistych warunkach potwierdziły, że konstelacje prawidłowo zidentyfikowały rolę rodziny genów „FOX” w tworzeniu chrząstki twarzy oraz wcześniej niedocenianą funkcję genów „GATA” w tworzeniu typów komórek skrzeli oddechowych, które umożliwiają ryba oddychać.

„Przeprowadzając jedno z najbardziej kompleksowych dotychczasowych badań populacji komórek kręgowców na pojedynczej komórce, nie tylko uzyskaliśmy ważny wgląd w ewolucję głowy kręgowców, ale także stworzyliśmy szeroko przydatne narzędzie obliczeniowe do badania rozwoju i regeneracji narządów w całym ciele”. Powiedział Crump.

odniesienie do magazynu

1. Fabian, B, Tsing, KC, Theropatia, M i in. Profilowanie jednokomórkowego okresu życia zróżnicowania grzebienia nerwowego czaszki u danio pręgowanego. Nat Common 13, 13 (2022). DOI: 10.1038 / s41467-021-27594-w