Ученые визуализировали судьбу каждой клетки эмбриона асцидии
Исследователи создали интерактивную анимацию, которая отражает развитие каждой клетки зародыша асцидии Phallusia mammillata вплоть до стадии 64 клеток. Экспрессию генов, морфологию и происхождение каждой из клеток реконструировали с помощью метода секвенирования РНК одиночных клеток, который стал прорывом 2018 года по версии журнала Science. Модель доступна онлайн, а исследование опубликовано в журнале Cell.
Многоклеточные организмы развиваются из единственной клетки — зиготы. Знания о том, как включение экспрессии различных генов проводит каждую из клеток зародыша по ее пути дифференциации, обрывочны. Секвенирование РНК одиночных клеток позволяет узнать, какие гены активны в отдельной клетке, и разделить организм на клеточные популяции. Однако мы часто не знаем, откуда взялась изучаемая клетка и какова ее дальнейшая судьба.
Ученые из Германии и Италии под руководством Пьера Невё (Pierre Neveu) из Европейской молекулярно-биологической лаборатории провели секвенирование РНК одиночных клеток зародышей асцидии Phallusia mammillata. Эмбрионы этих хордовых прозрачны, а судьбы их клеток определены уже на стадии 64 клеток. Результаты секвенирования совместили с 4D-реконструкцией эмбрионов (четвертое измерение — временное), которую получили при помощи микроскопии плоскостного освещения.
Исследователи диссоциировали зародыши всех стадий от двух до 64 клеток и выделяли отдельные клетки: всего секвенировали РНК более чем тысячи клеток из 58 эмбрионов.
На различных стадиях удалось выделить группы клеток, в которых экспрессировался близкий набор генов. Например, на первой стадии профиль экспрессии обеих клеток был одинаковым, а на этапе четырех клеток во всех зародышах можно было выделить две пары симметричных клеток. На последней изученной фазе (64 клетки) ученые нашли 18 отдельных клеточных типов, симметричных относительно оси эмбриона. На этом этапе паттерн экспрессии каждой клетки уже определяет, какой ткани она даст начало.
Затем ученые проследили судьбу каждой из клеток. Они предположили, что паттерн экспрессии материнской и дочерних клеток близок и сравнивали результаты секвенирования для каждого деления. В результате построили «генеалогическое древо» клеточных линий. Специализацию клетки на каждом этапе определяло повышение экспрессии определенного набора генов, который продолжал быть активным на всех последующих стадиях.
На следующем этапе исследователи совместили развитие клетки во времени с ее пространственным положением в зародыше. Необходимо было понять место каждой из клеток на 4D-реконструкции эмбриона. Для каждой стадии это пришлось делать отдельно: экспрессия некоторых генов отличалась вдоль передне-зданей и анимально-вегетативной осей зародыша, но определяющие оси гены были различными на этапах 16, 32 и 62 клеток.
В итоге авторы работы определили физическое положение всех клеток и создали 4D анимации, которые отображают экспрессию генов, морфологию и историю развития каждой из клеток эмбриона. Модель выложили в открытый доступ, и любой исследователь может воспользоваться ей.
Секвенирование РНК одиночных клеток и другие методы исследования активности генов эмбрионов стали главным прорывом 2018 года по версии журнала Science. Эти и другие технологии помогают ученым создавать различные визуализации зародышей. С помощью той же микроскопии плоскостного освещения сняли на видео развитие эмбриона мыши до стадии 64 клеток. Существуют и реконструкции эмбрионального развития человека на более поздних этапах, например, вот этот интерактивный атлас, созданный на основе 15 тысяч гистологических препаратов.
Алиса Бахарева
И помогли начать половой акт
Американские ученые выяснили, что тельца Краузе в половом члене и клиторе мышей возбуждаются при легких прикосновениях и механических вибрациях с частотой 40-80 герц. Специфические для этих рецепторов нейроны в спинальных ганглиях передают информацию в серую спайку спинного мозга в пояснично-крестцовом отделе. Мыши без телец Краузе с трудом начинали половой акт, а самцы реже достигали эякуляции, что говорит об их важной роли в сексуальном поведении. Препринт работы опубликован на сайте bioRxiv.org. Кожа человека хорошо иннервирована: по всему телу располагаются рецепторы, которые представлены как свободными нервными окончаниями, отвечающими за основную перцепцию прикосновений, температуры и боли, так и нервными окончаниями, заключенными в капсулу. Считается, что они ответственны за перцепцию специфических воздействий. Например, тельца Пачини воспринимают грубое механическое давление, а тельца Руффини — растяжение. Долгое время считалось, что колбы Краузе в надсосочковом слое дермы специфически воспринимают холод, однако дальнейшие исследования этого не подтвердили. При этом еще в конце XIX века Вильгельм Краузе, который впервые описал эти рецепторы, обнаружил их в губах, языке и гениталиях человека. В половом члене и клиторе они выглядят иначе (в этих местах они называются тельца Краузе, или генитальные тельца): они имеют цилиндрическую форму и содержат простые окончания (в коже волокна чаще свернуты в клубочек). Однако до сих пор не до конца ясна их роль и специфика перцепции. Дэвид Джинти (David Ginty) с коллегами из Гарвардской медицинской школы исследовали физиологию телец Краузе у мышей. С помощью окрашивания нейрофиламента-200 и белка S100 (первый отражает нервные волокна крупного калибра, а второй — терминальные шванновские клетки), они обнаружили в гениталиях самок мышей высокую плотность телец Краузе по всему клитору, но при этом они отсутствовали в ткани влагалища. В гениталиях самцов тельца наблюдались по всей головке полового члена и внутренней поверхности крайней плоти. Несмотря на разные размеры женских и мужских гениталий, общее количество телец Краузе в клиторе и пенисе было сопоставимым. Таким образом, плотность телец Краузе была в 15 раз больше в клиторе, чем в головке полового члена. Затем с помощью генетических исследований ученые выяснили, что в тельцах Краузе располагаются чувствительные отростки двух групп нейронов спинальных ганглиев пояснично-крестцового отдела: TrkB и Ret. Кроме того, дальнейший анализ показал, что отростки этих нейронов специфически образуют тельца Краузе (им не удалось найти в них чувствительные волокна от других нейронов). Информация от этих нейронов далее следует в заднюю часть серой спайки спинного мозга, которая находится около центрального канала, в пояснично-крестцовом отделе спинного мозга. Благодаря оптогенетическим методам и механическому воздействию удалось выяснить, что волокна нейронов TrkB и Ret являются А-волокнами, то есть хорошо миелинизированными волокнами со скоростью передачи импульса 3-11 метров в секунду. Кроме того, у волокон нейронов TrkB были низкие пороги механического возбуждения, быстрая адаптация и точная синхронизация по фазе для каждого цикла механических колебаний. При этом волокна нейронов Ret демонстрировали более высокие пороги механического возбуждения. Обе группы нейронов активно реагировали на вибрации с частотой 40-80 герц. Затем ученые исследовали, как тельца Краузе могут влиять на сексуальное поведение мышей. Они обнаружили, что прямая оптогенетическая стимуляция полового члена (десять герц, импульс две миллисекунды в течение 20 секунд) у мышей, которым в тельца Краузе (нейроны TrkB) внедрили опсины, приводила к эрекции у 6 из 10 животных. У контрольных мышей без опсинов эрекции не наблюдалось. Рефлекторные реакции на оптогенетическую стимуляцию телец Краузе нейронов Ret не тестировались, поскольку их было сложно промаркировать опсинами. Хотя у самцов, у которых не было телец Краузе, не наблюдалось проблем с эрекцией, у них были проблемы с введением полового члена во влагалище: они дольше начинали этот процесс и хуже его осуществляли. Кроме того, меньшее количество самцов без телец Краузе достигли эякуляции по сравнению с контрольной группой. У самок потеря телец Краузе также сопровождалась проблемами с началом полового акта. Таким образом, команда Джинти впервые так подробно описала структуру и физиологию телец Краузе в гениталиях мыши. По мнению ученых их результаты можно распространить и на человека, поскольку, например, вибрации с частотой 40-80 герц считаются возбуждающими и для людей. Однако у человека дополнительно необходимо исследовать влияние телец Краузе на сексуальное поведение. Об эволюции полового члена и его восприятия можно прочитать в книге Эмили Уиллингем «Парадокс пениса: Уроки жизни из мира животных» (издательство «Альпина нон-фикшн»).