Клеточная линия обозначает историю развития ткани или органа из оплодотворенной яйцеклетки . [1] Это основано на отслеживании клеточного происхождения организма из-за деления клеток и перемещения с течением времени, это начинается с исходных клеток и заканчивается зрелой клеткой, которая больше не может делиться. [2] [3]
Этот тип родословной можно изучать, маркируя клетку (флуоресцентными молекулами или другими отслеживаемыми маркерами) и отслеживая ее потомство после деления клетки. Некоторые организмы, такие как C. elegans , имеют предопределенный образец клеточного потомства, и взрослый самец всегда будет состоять из 1031 клетки, это связано с тем, что деление клеток у C. elegans генетически детерминировано и известно как eutely . [4] [5] Это приводит к тому, что клеточная родословная и судьба клеток сильно коррелируют. Другие организмы, такие как люди, имеют изменчивые родословные и количество соматических клеток.
Будучи одним из первых пионеров клеточной линии, в 1960-х годах доктор Сидни Бреннер впервые начал наблюдать дифференциацию клеток и последовательность у нематоды Caenorhabditis elegans . Доктор Бреннер выбрал этот организм из-за его прозрачного тела, быстрого размножения, простоты доступа и небольшого размера, что сделало его идеальным для отслеживания клеточной линии под микроскопом.
К 1976 году доктор Бреннер и его коллега, доктор Джон Салстон , идентифицировали часть клеточной линии в развивающейся нервной системе C. elegans . Первоначальные результаты показали, что нематода была эвтелической (каждая особь проходит одни и те же пути дифференциации), однако работа Салстона и Ричарда Хорвица показала, что несколько клеток, необходимых для воспроизводства, дифференцируются после вылупления. Эти клетки включают вульвальные клетки, а также мышцы и нейроны. Это исследование также привело к первоначальным наблюдениям запрограммированной клеточной смерти, или апоптоза.
После картирования различных участков клеточной линии C. elegans , доктор Бреннер и его коллеги смогли составить первую полную и воспроизводимую карту судьбы клеточной линии. Позже они получили Нобелевскую премию 2002 года за свою работу в области генетической регуляции развития органов и запрограммированной клеточной смерти. [6] Поскольку C. elegans являются гермафродитами, у них есть как мужские, так и женские органы, где они хранят сперму и способны к самооплодотворению. C. elegans содержат 302 нейрона и 959 соматических клеток, где они начинаются с 1031, где 72 подвергаются апоптозу, который является запрограммированной клеточной смертью. Это делает C. elegans модельным организмом для изучения клеточной линии и возможности наблюдать за делением клеток благодаря их прозрачному фенотипу. [7]
Одно из первых исследований клеточных линий было проведено в 1870-х годах Уитменом, который изучал модели деления у пиявок и мелких беспозвоночных . Он обнаружил, что некоторые группы, такие как нематоды и асцидии, формируют модель деления клеток, которая одинакова для всех особей и неизменна. Считалось, что эта высокая корреляция между клеточной линией и судьбой клеток определяется факторами сегрегации внутри делящихся клеток. Другие организмы имели стереотипные модели клеточного деления и производили сублинии, которые были потомством определенных клеток-предшественников. Считается, что эти более изменчивые судьбы клеток обусловлены взаимодействием клеток с окружающей средой. Благодаря новым прорывам в отслеживании клеток с большей точностью это помогло биологическому сообществу, поскольку теперь для отображения исходных клеток используются различные цвета, и их можно легко отслеживать. Эти цвета флуоресцентны и отмечены на белках путем введения инъекций для отслеживания таких клеток. [8]
Клеточную линию можно определить двумя методами: либо прямым наблюдением, либо клональным анализом. В начале 19 века использовалось прямое наблюдение, однако оно было весьма ограниченным, поскольку можно было изучать только небольшие прозрачные образцы. С изобретением конфокального микроскопа это позволило изучать более крупные и сложные организмы. [9]
Возможно, самым популярным методом картирования судьбы клеток в генетическую эпоху является сайт-специфическая рекомбинация, опосредованная системами Cre-Lox или FLP-FRT . Используя системы рекомбинации Cre-Lox или FLP-FRT , ген-репортер (обычно кодирующий флуоресцентный белок) активируется и постоянно маркирует интересующую клетку и ее потомство, отсюда и название — отслеживание клеточной линии. [10] С помощью этой системы исследователи могли бы исследовать функцию своего любимого гена в определении судьбы клетки, разработав генетическую модель, в которой внутри клетки одно событие рекомбинации предназначено для манипулирования интересующим геном, а другое событие рекомбинации предназначено для активации гена-репортера. Одна незначительная проблема заключается в том, что два события рекомбинации могут не происходить одновременно, поэтому результаты следует интерпретировать с осторожностью. [11] Кроме того, некоторые флуоресцентные репортеры имеют такой чрезвычайно низкий порог рекомбинации, что они могут маркировать популяции клеток в нежелательные временные точки при отсутствии индукции. [12]
Были разработаны подходы синтетической биологии и система CRISPR / Cas9 для проектирования новых генетических систем, которые позволяют клеткам автономно записывать информацию о происхождении в своем собственном геноме. Эти системы основаны на сконструированной целевой мутации определенных генетических элементов. [13] [14] Генерируя новые случайные геномные изменения в каждом поколении клеток, эти подходы облегчают реконструкцию деревьев происхождений. Эти подходы обещают обеспечить более полный анализ связей между происхождени-ями в модельных организмах. Также разрабатываются методы реконструкции вычислительных деревьев [15] для наборов данных, созданных с помощью таких подходов.
У людей после оплодотворения зигота делится на две клетки. Соматические мутации , которые возникают непосредственно после образования зиготы, а также позже в развитии, могут использоваться в качестве маркеров для отслеживания клеточных линий по всему телу. [16] Начиная с деления зиготы, линии, как было замечено, вносят неравный вклад в клетки крови . Было обнаружено, что до 90% клеток крови происходят только от одного из первых двух бластомеров . Кроме того, нормальное развитие может привести к неравным характеристикам симметричных органов, например, между левой и правой фронтальной и затылочной корой головного мозга . Было высказано предположение, что эффективность восстановления ДНК способствует дисбалансу линий, поскольку дополнительное время, затрачиваемое клеткой на восстановление ДНК, может снизить скорость пролиферации. [16]