El par de Atlas perfila la expresión de genes fetales. La regulación en células individuales

Similitudes de especies: muchas células humanas fetales (marrones) se alinean con linajes celulares que comienzan en embriones de ratones (rosas), basándose en sus patrones de expresión genética

POR CHLOE WILLIAMS

Fuente: Spectrum / 07/01/2021

Fotografía: Spectrum

Dos nuevos atlas que hacen un perfil de millones de células en 15 órganos, ofrecen una mirada sin precedentes a la actividad de los genes durante el desarrollo del feto.

El primer atlas detalla la expresión de los genes, y el segundo cataloga las regiones del genoma que probablemente estén involucradas en la regulación. Estos recursos podrían ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo surgen los diferentes tipos de células durante el desarrollo y, a su vez, los fundamentos moleculares de afecciones como el autismo. Los investigadores pueden explorar ambos atlas en línea.

Los métodos anteriores para examinar la expresión o regulación de los genes dividían las células individuales en gotas individuales, limitando el análisis a varios miles de células a la vez. Por esta razón, la mayoría de los atlas unicelulares de desarrollo fetal se centran en un solo órgano.

Para los nuevos atlas, los investigadores desarrollaron un enfoque que utiliza tres rondas de código de barras de ADN para etiquetar las células individuales y hacer un perfil de millones en una muestra, lo que es suficiente para abarcar múltiples órganos.

En este método, los investigadores primero aíslan los núcleos celulares de diferentes muestras de tejido. Colocan los núcleos de cada tejido en un pozo diferente en una placa y añaden un código de barras de ADN único a cada pozo. Luego reúnen todas las células, las redistribuyen aleatoriamente en pozos y añaden otro código de barras a cada pozo. Repiten el proceso de agrupación, redistribución y código de barras por tercera vez. Como es poco probable que dos células acaben en la misma serie de tres pozos, cada célula se marca con una combinación única de códigos de barras.

Trazando la trayectoria

El equipo utilizó esta técnica para etiquetar copias de ADN (cDNA) del ARN mensajero, el intermediario entre los genes y las proteínas, de núcleos individuales y secuenció el cDNA para medir la expresión de los genes. Los núcleos procedían de 28 fetos, y oscilaban entre 72 y 129 días después de la concepción.

A continuación, los investigadores agruparon las células en tipos y subtipos basándose en sus patrones de expresión genética y las identificaron utilizando genes marcadores conocidos y atlas de células de ratón.

El nuevo atlas, descrito en noviembre en Science, detalla la expresión génica en unos 4 millones de células. Incluye 77 tipos y 657 subtipos de células, algunas de las cuales representan diferentes etapas de desarrollo en un linaje celular. Por ejemplo, el atlas revela células que se diferencian de los progenitores neuronales en neuronas maduras del cerebro.

Para cada tipo de célula, el equipo también catalogó 11 genes, en promedio, con niveles de expresión al menos cinco veces más altos que en otros tipos de células. Muchos de estos genes marcadores no habían sido vinculados previamente a tipos celulares específicos y podrían ser utilizados para identificar tipos celulares en estudios futuros, dicen los investigadores.

Los tipos y subtipos de células también coincidieron fuertemente con los descritos en los atlas unicelulares de los ratones. En un análisis, el equipo combinó los datos del atlas fetal y un atlas de expresión genética en embriones de ratones. Luego agruparon las células según la similitud de sus patrones de expresión genética.

Muchas células humanas parecían derivarse de linajes celulares que comenzaron en el embrión de ratón, proporcionando una ventana a la diferenciación a lo largo del desarrollo temprano, dicen los investigadores.

Mapa de maduración: los perfiles de expresión génica de las células fetales humanas (amarillas) y de los embriones de ratón (verdes, azules, moradas), agrupados según su similitud, revelan las trayectorias de los tipos de células durante el desarrollo.

Epigenoma temprano

En el otro estudio, publicado en el mismo número de Science, los investigadores utilizaron muestras de tejido de los mismos 15 órganos fetales para catalogar las regiones de la cromatina, el complejo en espiral de ADN y proteína, que son accesibles a las enzimas. Se cree que estas regiones están implicadas en la expresión de los genes.

Después de extraer los núcleos, el equipo utilizó enzimas para marcar y separar las regiones accesibles para la secuenciación. Al igual que en el atlas de expresión genética, utilizaron el enfoque de triple código de barras para etiquetar el ADN de los núcleos individuales.

El atlas detalla las regiones accesibles de la cromatina en unas 800.000 células, informan los investigadores. El equipo también clasificó 54 tipos de células buscando promotores -secuencias de ADN que impulsan la expresión génica- de genes marcadores en regiones accesibles de ADN.

Además, los investigadores peinaron la cromatina abierta para encontrar los sitios de unión de los factores de transcripción, proteínas implicadas en la regulación de la expresión génica, que están enriquecidas en distintos tipos de células. Esto reveló reguladores conocidos y anteriormente desconocidos que probablemente desempeñen un papel en la generación o el mantenimiento de diferentes tipos de células.

La búsqueda en la cromatina abierta de variantes vinculadas a 34 rasgos o afecciones, como el colesterol alto y el asma, también reveló los tipos celulares en los que estas variantes son más accesibles, lo que sugiere que estas células contribuyen al rasgo o la afección. Como era de esperar, estos tipos de células o tejidos también suelen verse afectados por ese rasgo, informan los investigadores.

Los atlas de expresión génica y accesibilidad a la cromatina podrían ayudar a los investigadores a detectar los tipos de células que probablemente estén implicados en el autismo, dicen los investigadores, y podrían arrojar luz sobre cómo las mutaciones afectan a las células de todo el cuerpo durante el desarrollo.

TAGS: autismo, cromatina, epigenética, expresión génica, secuenciación de una sola célula

https://www.spectrumnews.org/news/toolbox/atlas-pair-profiles-fetal-gene-expression-regulation-in-single-cells/