Линия клеток обозначает историю развития ткани или органа из оплодотворенной яйцеклетки . [1] Это основано на отслеживании клеточного происхождения организма благодаря клеточному делению и перемещению с течением времени, это начинается с клеток-источников и заканчивается зрелой клеткой, которая больше не может делиться. [2]
Этот тип линии можно изучить, маркируя клетку (флуоресцентными молекулами или другими отслеживаемыми маркерами) и отслеживая ее потомство после деления клетки. Некоторые организмы, такие как C. elegans , имеют заранее определенный 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 эвтелия . [3] [4] Это приводит к тому, что клеточное происхождение и судьба клеток сильно коррелируют. Другие организмы, такие как люди, имеют разные линии и количество соматических клеток.
Будучи одним из первых пионеров клеточного происхождения, в 1960-х годах доктор Сидни Бреннер впервые начал наблюдать дифференцировку и преемственность клеток у нематоды Caenorhabditis elegans . Доктор Бреннер выбрал этот организм из-за его прозрачного тела, быстрого размножения, простоты доступа и небольшого размера, что делало его идеальным для отслеживания клеточного развития под микроскопом.
К 1976 году доктор Бреннер и его коллега доктор Джон Салстон идентифицировали часть клеточной линии развивающейся нервной системы C. elegans . Первоначальные результаты показали, что нематода была эвтеличной (каждая особь испытывает одни и те же пути дифференцировки), однако работа Салстона и Ричарда Хорвица показала, что несколько клеток, необходимых для размножения, дифференцируются после вылупления. Эти клетки включают клетки вульвы, а также мышцы и нейроны. Это исследование также привело к первым наблюдениям запрограммированной гибели клеток или апоптоза.
После картирования различных участков клеточной линии C. elegans доктор Бреннер и его коллеги смогли собрать воедино первую полную и воспроизводимую карту судьбы клеточной линии. Позже они получили Нобелевскую премию 2002 года за работу в области генетической регуляции развития органов и программируемой гибели клеток. [5] Поскольку C. elegans являются гермафродитами, они состоят как из мужских, так и из женских органов, где они хранят сперму и способны к самооплодотворению. C. elegans содержит 302 нейрона и 959 соматических клеток, начиная с 1031, из которых 72 подвергаются апоптозу, то есть запрограммированной гибели клеток. Это делает C. elegans модельным организмом для изучения клеточного происхождения и позволяет наблюдать за клеточными делениями благодаря их прозрачному фенотипу. [6]
Одно из первых исследований клеточных линий было проведено в 1870-х годах Уитменом, который изучал закономерности расщепления у пиявок и мелких беспозвоночных . Он обнаружил, что некоторые группы, такие как нематоды и асцидии, образуют образец клеточного деления, который у разных людей одинаков и неизменен. Считалось, что такая высокая корреляция между происхождением клеток и судьбой клеток определяется факторами сегрегации внутри делящихся клеток. Другие организмы имели стереотипные модели деления клеток и производили сублинии, которые были потомками 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, которые можно легко отслеживать. Эти цвета флуоресцентны и отмечаются на белках путем инъекции для отслеживания таких клеток. [7]
Происхождение клеток можно определить двумя методами: либо путем прямого наблюдения, либо посредством клонального анализа. 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. [8]
Возможно, самым популярным методом картирования судеб клеток в генетическую эпоху является сайт-специфическая рекомбинация, опосредованная системами Cre-Lox или FLP-FRT . Используя системы рекомбинации Cre-Lox или FLP-FRT , репортерный ген (обычно кодирующий флуоресцентный белок) активируется и постоянно маркирует интересующую клетку и ее клетки-потомки, что и называется отслеживанием клеточного происхождения. [9] С помощью этой системы исследователи смогут исследовать функцию своего любимого гена в определении судьбы клеток, разработав генетическую модель, в которой внутри клетки одно событие рекомбинации предназначено для манипулирования интересующим геном, а другое событие рекомбинации предназначено для активации репортер ген. Одна небольшая проблема заключается в том, что два события рекомбинации могут произойти не одновременно, поэтому результаты следует интерпретировать с осторожностью. [10] Более того, некоторые флуоресцентные репортеры имеют настолько чрезвычайно низкий порог рекомбинации, что они могут метить популяции клеток в нежелательные моменты времени в отсутствие индукции. [11]
Были разработаны подходы синтетической биологии и система CRISPR / Cas9 для создания новых генетических систем, которые позволяют клеткам автономно записывать информацию о происхождении в своем собственном геноме. Эти системы основаны на целенаправленной мутации определенных генетических элементов. [12] [13] Путем создания новых случайных геномных изменений в каждом поколении клеток эти подходы облегчают реконструкцию деревьев родословной. Эти подходы обещают обеспечить более полный анализ родственных связей в модельных организмах. Методы реконструкции вычислительного дерева [14] также разрабатываются для наборов данных, созданных такими подходами.
У человека после оплодотворения зигота делится на две клетки. Соматические мутации , возникающие непосредственно после образования зиготы, а также на более поздних этапах развития, могут использоваться в качестве маркеров для отслеживания клеточных линий по всему организму. [15] Начиная с расщепления зиготы, наблюдалось, что линии вносят неравный вклад в клетки крови . Было обнаружено, что до 90% клеток крови происходят только из одного из первых двух бластомеров . Кроме того, нормальное развитие может привести к неодинаковым характеристикам симметричных органов, например, между левой и правой лобной и затылочной корой головного мозга . Было высказано предположение, что эффективность репарации ДНК способствует дисбалансу клонов, поскольку дополнительное время, затрачиваемое клеткой на репарацию ДНК, может снизить скорость пролиферации. [15]