Inzoomen om het volledige beeld te krijgen

Inzoomen om het volledige beeld te krijgen

Onderzoekers gebruiken eencellige benaderingen en diepgaand leren om alle stadia van de ontwikkeling van fruitvliegembryo’s in kaart te brengen, waardoor ze mogelijk een stap dichter bij voorspellende embryonale genomica komen

Een nieuwe atlas die het continuüm van embryo-ontwikkeling bij fruitvliegen in kaart brengt, is dankzij machine learning verder gegaan. Wetenschappers kunnen ‘inzoomen’ op specifieke eencellige embryologie van de fruitvlieg. Krediet: Isabel Romero Calvo/EMBL
Wetenschappers hebben de meest complete en gedetailleerde eencellige kaart van embryo-ontwikkeling bij elk dier tot nu toe geconstrueerd, met behulp van de fruitvlieg als modelorganisme.

Deze studie, gepubliceerd in Science, wordt mede geleid door Eileen Furlong van EMBL en Jay Shendure van de Universiteit van Washington. Het maakt gebruik van gegevens van meer dan een miljoen embryonale cellen die alle stadia van embryo-ontwikkeling beslaan en vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang op meerdere niveaus. Dit fundamentele onderzoek helpt wetenschappers ook om vragen te beantwoorden zoals hoe mutaties tot verschillende ontwikkelingsstoornissen leiden. Bovendien biedt het een pad om het enorme niet-coderende deel van ons genoom te begrijpen dat de meeste ziektegerelateerde mutaties bevat.

“Alleen al het volledige embryogenese vastleggen – alle stadia en alle celtypes – om een ​​vollediger beeld te krijgen van de celtoestanden en moleculaire veranderingen die de ontwikkeling begeleiden, is een prestatie op zich”, zegt Eileen Furlong, hoofd van de afdeling Genome Biology van EMBL. . “Maar waar ik echt enthousiast over ben, is het gebruik van deep learning om een ​​continu beeld te krijgen van de moleculaire veranderingen die de embryonale ontwikkeling stimuleren – tot op de minuut.”

Embryonale ontwikkeling begint met de bevruchting van een eicel, gevolgd door een reeks celdelingen en beslissingen die aanleiding geven tot een zeer complex meercellig embryo dat kan bewegen, eten, waarnemen en communiceren met zijn omgeving. Onderzoekers bestuderen dit proces van embryonale ontwikkeling al meer dan honderd jaar, maar pas in het laatste decennium hebben nieuwe technologieën wetenschappers in staat gesteld om moleculaire veranderingen te identificeren die gepaard gaan met celovergangen op eencellig niveau.

Deze eencellige onderzoeken hebben een enorme opwinding veroorzaakt omdat ze de complexiteit van celtypen in weefsels hebben aangetoond, zelfs nieuwe celtypen hebben geïdentificeerd, en hun ontwikkelingstrajecten hebben onthuld naast onderliggende moleculaire veranderingen. Pogingen om de gehele embryo-ontwikkeling te profileren met eencellige resolutie waren echter onbereikbaar vanwege de vele technische uitdagingen op het gebied van bemonstering, kosten en technologieën.

In dit opzicht heeft de fruitvlieg (Drosophila melanogaster), een uitstekend modelorganisme in ontwikkelingsbiologie, genregulatie en chromatinebiologie, enkele belangrijke voordelen als het gaat om het ontwikkelen van nieuwe benaderingen om dit aan te pakken. De embryonale ontwikkeling van fruitvliegen verloopt extreem snel; binnen slechts 20 uur na de bevruchting zijn alle weefsels gevormd, inclusief de hersenen, de darmen en het hart, zodat het organisme kan kruipen en eten. Dit, in combinatie met de vele ontdekkingen van fruitvliegjes die het begrip van hoe genen en hun producten werken, hebben gestimuleerd, moedigde het Furlong-lab en hun medewerkers aan om deze uitdaging aan te gaan.

“Ons doel was om een ​​continu beeld te krijgen van alle stadia van embryogenese, om alle dynamiek en veranderingen vast te leggen terwijl een embryo zich ontwikkelt, niet alleen op het niveau van RNA, maar ook op de controle-elementen die dit proces reguleren,” zei co-auteur Stefano Secchia, een promovendus in de Furlong-groep.

Voorwerk met ‘enhancers’

In 2018 toonden de Furlong- en Shendure-groepen de haalbaarheid van het profileren van ‘open’ chromatine bij eencellige resolutie in embryo’s en hoe deze DNA-regio’s vaak actieve ontwikkelingsversterkers vertegenwoordigen. ‘Enhancers’ zijn DNA-segmenten die fungeren als controleschakelaars om genen aan en uit te zetten. De gegevens lieten zien welke celtypen in het embryo welke versterkers op een bepaald tijdstip gebruiken en hoe dit gebruik in de loop van de tijd verandert. Zo’n kaart is essentieel om te begrijpen wat specifieke aspecten van de embryonale ontwikkeling drijft.

“Ik werd echt opgewonden toen ik die resultaten zag”, zei Furlong. “Om verder te gaan dan RNA om stroomopwaarts naar deze regulerende schakelaars in afzonderlijke cellen te kijken, was iets waarvan ik dacht dat het lange tijd niet mogelijk zou zijn.”

Verder gaan dan ‘snapshots’

De studie van 2018 was destijds state-of-the-art, waarbij ~ 20.000 cellen werden geprofileerd in drie verschillende vensters van embryo-ontwikkeling (aan het begin, midden en einde). Dit werk gaf echter nog steeds alleen momentopnamen van de cellulaire diversiteit en regulering tijdens specifieke discrete tijdstippen. Het team onderzocht daarom het potentieel van het gebruik van monsters uit overlappende tijdvensters, en paste het concept als proof-of-principle toe op één specifieke lijn: de spier.

Dit vormde vervolgens het toneel om drastisch op te schalen met behulp van nieuwe technologie die in het Shendure-lab is ontwikkeld. Het huidige werk van het team profileerde open chromatine van bijna een miljoen cellen en RNA van een half miljoen cellen van overlappende tijdstippen die de gehele ontwikkeling van fruitvliegembryo’s overspannen.

Met behulp van een soort machine learning maakten de onderzoekers gebruik van de overlappende tijdstippen om tijd te voorspellen met een veel fijnere resolutie. Co-auteur Diego Calderon, een postdoctoraal onderzoeker in het Shendure-lab, trainde een neuraal netwerk om de precieze ontwikkelingstijd voor elke cel te voorspellen.

“Hoewel de verzamelde monsters embryo’s bevatten met enigszins verschillende leeftijden binnen een tijdvenster van 2 of 4 uur, kun je met deze methode op een schaal van minuten inzoomen op elk deel van deze embryogenese-tijdlijn,” zei Calderon.

Shendure voegde toe: “Ik was verbaasd hoe goed dit werkt. We konden moleculaire veranderingen vastleggen die zeer snel optreden in de tijd, in minuten, die eerdere onderzoekers hadden ontdekt door elke drie minuten embryo’s met de hand te plukken.”

In de toekomst zou een dergelijke aanpak niet alleen tijdbesparend zijn, maar kan het ook dienen als referentie voor de normale ontwikkeling van embryo’s om te zien hoe dingen kunnen veranderen in verschillende mutante embryo’s. Dit zou precies kunnen aangeven wanneer en in welk celtype het fenotype van een mutant ontstaat, zoals de onderzoekers in de spier lieten zien. Met andere woorden, dit werk helpt niet alleen om te begrijpen hoe ontwikkeling normaal verloopt, maar opent ook de deur om te begrijpen hoe verschillende mutaties het kunnen verknoeien.

Het nieuwe voorspellende potentieel dat dit onderzoek voorspelt, gebaseerd op steekproeven uit veel grotere tijdvensters, zou kunnen worden gebruikt als een raamwerk voor andere modelsystemen. Bijvoorbeeld de ontwikkeling van zoogdierembryo’s, in vitro celdifferentiatie of zelfs post-medicamenteuze behandeling in zieke cellen, waar hiaten in de bemonsteringstijden kunnen worden ontworpen om optimale tijdvoorspelling bij een vinderresolutie mogelijk te maken.

In de toekomst is het team van plan om de voorspellende krachten van de atlas te verkennen.

“Door alle nieuwe tools die we tot onze beschikking hebben op het gebied van eencellige genomica, berekening en genetische manipulatie te combineren, zou ik graag willen zien of we kunnen voorspellen wat er in vivo met het lot van individuele cellen gebeurt na een genetische mutatie,” zei Furlong. “…maar we zijn er nog niet. Maar vóór dit project dacht ik ook dat het huidige werk niet snel mogelijk zou zijn.”

Bron artikel(en)
The continuum of Drosophila embryonic development at single cell resolution.
Calderon D, Blecher-Gonen R, Huang X, Secchia S, et al. | Science 4 August 2022 | 10.1126/science.abn5800
Beeldcredit: Isabel Romero Calvo/EMBL
Vorig artikelAlleen zijn kan je gezondheid verbeteren
Volgend artikel6 krachtige theeën voor een betere nachtrust