पूरे भ्रूण को सबसेलुलर रिज़ॉल्यूशन में मैपिंग करना

जीवन का नीलप्रिंट, स्थान और समय में पढ़ा गया है

कैसे एक निषेचित कोशिका एक पूरी तरह से गठित जीव में सैकड़ों कोशिका प्रकार में विकसित होती है—प्रत्येक सही जीन को सही स्थान पर, सही विकासात्मक चरण में व्यक्त करता है—यह समझना एक सदी से अधिक के लिए विकासात्मक जीव विज्ञान की केंद्रीय चुनौती रही है। सवाल केवल वैज्ञानिक दृष्टि से गहन नहीं बल्कि चिकित्सकीय रूप से महत्वपूर्ण है: अधिकांश विकासात्मक विकार, जन्मजात विकृतियां, और कई कैंसर भ्रूण विकास के दौरान जीन कब और कहां व्यक्त होते हैं, इसे नियंत्रित करने वाले आणविक कार्यक्रमों में त्रुटियों का पता लगाते हैं।

विकास में जीन अभिव्यक्ति के अध्ययन के लिए पारंपरिक दृष्टिकोण भ्रूण को एकल कोशिकाओं में अलग करना आवश्यक था—स्थानिक जानकारी को नष्ट करना जो निर्दिष्ट करता है कि कौन सी कोशिका कहां थी और इसके पड़ोसी क्या कर रहे थे। Single-cell RNA sequencing ने क्षेत्र को रूपांतरित किया, एकल-कोशिका रिज़ॉल्यूशन में अभिव्यक्ति प्रोफाइलिंग को सक्षम किया, लेकिन स्थानिक आयाम कोशिका विच्छेदन प्रक्रिया में खो गया। Spatial transcriptomics प्रযुक्तियों की एक नई पीढ़ी उस स्थानिक जानकारी को पुनः प्राप्त कर रही है, लेकिन आम तौर पर ऐसे रिज़ॉल्यूशन पर जो आसन्न कोशिकाओं के बीच अंतर नहीं कर सकते, और अधिक कम एकल कोशिकाओं के भीतर संरचनाओं को हल नहीं कर सकते।

इस हफ्ते Science में प्रकाशित एक अध्ययन एक सफलता की सूचना देता है: संपूर्ण-भ्रूण spatial transcriptomics सबसेलुलर रिज़ॉल्यूशन में, gastrulation चरण से प्रमुख अंग प्रणालियों के गठन तक विकासशील भ्रूणों में जीन अभिव्यक्ति को कैप्चर किया गया है।

तकनीकी उपलब्धि

अनुसंधान दल द्वारा विकसित पद्धति एक in situ sequencing दृष्टिकोण का उपयोग करती है जो ऊतक वास्तुकला को संरक्षित करता है जबकि RNA अणुओं को उनके सटीक स्थानिक स्थानों पर पढ़ता है। प्रौद्योगिकियों के विपरीत जो ऊतक खंडीकरण के बाद एक पैटर्नयुक्त सरणी पर प्रतिलिपि को कैप्चर करती हैं, यह दृष्टिकोण सीधे ऊतक के भीतर RNA अणुओं को पहचानता है और क्रमबद्ध करता है, ऊतक और संपूर्ण कोशिकाओं के सेलुलर और सबसेलुलर स्थानिक संदर्भ को बनाए रखता है।

सबसेलुलर रिज़ॉल्यूशन पर, न केवल यह देखना संभव है कि एक कोशिका कौन से जीन व्यक्त कर रही है, बल्कि यह भी देखना संभव है कि उस कोशिका के भीतर कहां वे प्रतिलिपि स्थानीयकृत हैं। RNA स्थानीयकरण एक मौलिक नियामक तंत्र है: कई प्रतिलिपि विशिष्ट सेलुलर डिब्बों को लक्षित की जाती हैं—उपकला कोशिकाओं की apical या basal सतह, प्रवास करने वाली कोशिकाओं के अग्रणी किनारे, न्यूरॉन्स के dendrites—जहां वे स्थानीय रूप से अनुवादित होते हैं प्रोटीन बनाने के लिए जिन्हें वहां कार्य करने की आवश्यकता है। इस स्थानिक आयाम को कैप्चर करना यांत्रिक जानकारी प्रदान करता है कोशिका ध्रुवता, निर्देशित कोशिका माइग्रेशन, और ऊतक सीमाओं के गठन के बारे में जो पहले इस पैमाने पर सुलभ नहीं था।

एटलस क्या प्रकट करता है

gastrulation-से-organogenesis खिड़की में विकासशील भ्रूणों पर लागू—अवधि जब भ्रूण अपनी तीन-स्तरीय शरीर योजना स्थापित करता है और मान्यता प्राप्त अंग पूर्वजों का गठन शुरू करता है—तकनीक भारी समृद्धि का एक डेटासेट उत्पन्न करती है। परिणामी एटलस हजारों जीनों की अभिव्यक्ति को मैप करता है पूरे भ्रूण की प्रत्येक कोशिका में, एकाधिक विकासात्मक समय बिंदुओं पर, स्थानिक निर्देशांक के साथ जो भ्रूण की त्रि-आयामी शारीरिकी और व्यक्तिगत कोशिकाओं के आंतरिक संगठन दोनों को कैप्चर करते हैं।

डेटा सटीक आणविक सीमाएं प्रकट करता है जहां एक कोशिका प्रकार दूसरे में संक्रमण करता है, जीन अभिव्यक्ति प्रवणताएं जो विकासशील ऊतकों में स्थितीय जानकारी प्रदान करती हैं, और विकासात्मक कार्यक्रमों का क्रमिक सक्रियण जैसे ही कोशिकाएं induction और भेदभाव घटनाओं से गुजरती हैं। एटलस से उभरे कई निष्कर्ष मौजूदा मॉडलों द्वारा पूर्वानुमानित नहीं थे: गठित neural tube में अप्रत्याशित जीन अभिव्यक्ति डोमेन, ऊतक सीमाओं पर पहले अनचिह्नित कोशिकाओं की जनसंख्या, और नए transcription factor संयोजन जो विशिष्ट अंग प्रकारों के सबसे प्रारंभिक पूर्वजों को चिह्नित करते हैं।

विकासात्मक जीव विज्ञान और औषध में अनुप्रयोग

तत्काल वैज्ञानिक अनुप्रयोग एक संदर्भ एटलस के रूप में है—एक व्यापक डेटासेट जिसे अन्य शोधकर्ता विशिष्ट जीन, कोशिका प्रकारों, या विकासात्मक घटनाओं के बारे में अपने स्वयं के निष्कर्षों की व्याख्या करने के लिए उपयोग कर सकते हैं। विकासात्मक जीव विज्ञान ने यह पर्यवेक्षण किया है कि व्यक्तिगत जीन को उत्परिवर्तित या ग़लत तरीके से व्यक्त किया जाता है, लेकिन इन अवलोकनों की व्याख्या करने के लिए उन जीनों की अभिव्यक्ति के सामान्य स्थानिक और अस्थायी संदर्भ को जानना आवश्यक है। एटलस इस संदर्भ को अभूतपूर्व रिज़ॉल्यूशन पर प्रदान करता है।

चिकित्सकीय रूप से, सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोग मानव विकासात्मक विकारों की व्याख्या करने के लिए एटलस का उपयोग करने से संभवतः आएंगे। कई जन्मजात स्थितियां विशिष्ट प्रक्रियाओं में सूक्ष्म दोष शामिल करती हैं—neurulation, somitogenesis, cardiogenesis—जो एटलस द्वारा कैप्चर किए गए भ्रूणविज्ञान चरणों में प्रतिनिधित्व करते हैं। जन्मजात स्थितियों से जुड़े उत्परिवर्तन के साथ सामान्य जीन अभिव्यक्ति परिदृश्य की तुलना मॉडल जीवों में आणविक घटनाओं को पहचान सकती है जो गलत हो रहे हैं और संभावित हस्तक्षेप बिंदुओं का सुझाव दे सकते हैं।

प्रौद्योगिकी पहुंच और भविष्य की दिशाएं

Spatial transcriptomics विशेष अनुसंधान उपकरण से व्यापक रूप से सुलभ मंच प्रौद्योगिकी में जा रहा है, 10x Genomics और Vizgen सहित कंपनियों द्वारा संचालित वाणिज्यिक विकास। इस अध्ययन में रिपोर्ट किया गया संपूर्ण-भ्रूण सबसेलुलर दृष्टिकोण एक उच्च-अंत कार्यान्वयन का प्रतिनिधित्व करता है जो अभी तक दिनचर्या नहीं है, लेकिन अंतर्निहित सिद्धांत संबंधित उपकरणों और अभिकर्मकों के परिपक्व होने के साथ व्यापक गोद लेने के अनुकूल हैं। भविष्य की दिशाएं एटलस को बाद के विकासात्मक चरणों तक विस्तारित करना, मानव भ्रूणीय organoids पर तकनीक लागू करना, और स्थानिक रूप से समाधान की गई अभिव्यक्ति डेटा का उपयोग प्रशिक्षण सेट के रूप में करना शामिल है कम्प्यूटेशनल मॉडलों के लिए जो पूर्वानुमान दे सकते हैं कि विकासात्मक कार्यक्रमों की प्रतिक्रिया कैसे होती है आनुवंशिक या पर्यावरणीय perturbations।

यह आलेख Science (AAAS) द्वारा रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल आलेख पढ़ें.