Nowe badanie dekoduje procesy genetyczne podczas owulacji u myszy
Naukowcy z Cornell odkryli nowe zastosowanie transkryptomiki przestrzennej, techniki obrazowania, która analizuje i mapuje aktywność genów w próbce tkanki.
Naukowcy wykorzystali tę technikę do stworzenia szczegółowej mapy tego, kiedy i gdzie geny są aktywne podczas owulacji u myszy. Owulacja to proces uwalniania komórki jajowej z żeńskiego gruczołu płciowego, czyli jajników. Ta mapa pomoże im zrozumieć, w jaki sposób komórki komunikują się i wchodzą w interakcje podczas tego kluczowego wydarzenia.
Badania, które 22 stycznia opublikowano w Cell Biology, przeprowadzono dzięki współpracy profesora Iwijna De Vlamincka, inżynierii biomedycznej, i prof. Yi Atheny Ren, specjalistki nauk o zwierzętach.
Ren, posiadająca doświadczenie w dziedzinie płodności i zdrowia reprodukcyjnego kobiet, zwróciła się do Vlamincka podczas Sympozjum Immunologii Intercampus. Dwudniowe wydarzenie zgromadziło naukowców, aby omówić postępy w immunologii, czyli badaniu układu obronnego organizmu.
De Vlaminck wygłosił wykład na temat badania przeprowadzonego w jego laboratorium w 2022 r. dotyczącego tego, jak komórki mięśnia sercowego mogą obumierać w wyniku stanu zapalnego i infekcji. Ren był na widowni i podczas wykładu spekulował, że proces śmierci komórki może odgrywać ważną rolę w owulacji.
Obie postawiły hipotezę, że opracowaną w badaniu technikę transkryptomiki przestrzennej można wykorzystać do badania komunikacji komórkowej podczas owulacji. Po otrzymaniu grantu na nasiona od Cornell Center for Vertebrate Genomics De Vlaminck i Ren rozpoczęli wstępne eksperymenty, aby przetestować tę hipotezę.
Technikę transkryptomiki przestrzennej wykorzystano do mapowania typów komórek w jajniku myszy poprzez rejestrowanie czasu i lokalizacji aktywności genetycznej. Transkryptomika przekształca RNA w kopię DNA, która następnie zawiera kody kreskowe – krótkie, standaryzowane segmenty DNA – które działają jak znaczniki molekularne odpowiadające określonym lokalizacjom w jajnikach.
„Każda komórka ma unikalny program ekspresji genów i wytwarza RNA z różnych genów” – powiedział De Vlamnick. „Naszym celem było ilościowe określenie liczebności tych różnych cząsteczek RNA pochodzących z różnych genów w zależności od lokalizacji w tkance”.
Aby osiągnąć ten cel, DeVlamnick i Ren wykorzystali wiele metod, aby rozwinąć wielowymiarowe zrozumienie.
„Zastosowaliśmy laboratoryjną technikę wysokiej rozdzielczości z próbkowaniem o dużej gęstości w czasie, co pozwoliło nam osiągnąć współczynniki zarówno przestrzenne, jak i czasowe” – powiedział Ren. „Patrzenie na rzeczy dziejące się zarówno w czasie, jak i w przestrzeni było fascynujące”.
Próbki wizualizowano za pomocą systemu kodów kreskowych. W tym systemie kod kreskowy powiązany z obrazowanym RNA jest interpretowany obliczeniowo w celu znalezienia jego konkretnej lokalizacji w tkance. Dziesięć lat temu ta technika rozdzielczości przestrzennej umożliwiała obrazowanie jedynie ćwierć milimetra. Teraz ewoluował i obecnie mierzy piksele o wielkości 10 mikrometrów, czyli średnicy typowej komórki zwierzęcej.
„Niedawno przekroczyliśmy rozdzielczość niezbędną do mapowania profilu ekspresji genów, czyli transkryptomu poszczególnych komórek, w kontekście tkanki” – powiedział De Vlaminck.
Zwiększony poziom rozdzielczości pomógł badaczom osiągnąć swój cel. Jednakże wadą tej techniki, zauważył De Vlaminck, są inwazyjne pomiary, których należy dokonać. Jajnik należy usunąć myszy i pokroić w plasterki w celu pobrania tkanki do obrazowania.
Podczas gdy u ludzi proces owulacji trwa około 28 dni, u myszy zachodzi on co cztery do pięciu dni, co pozwala badaczom uchwycić cały proces na migawkach w krótkim czasie 12 godzin.
„To pozwoliło nam stworzyć cyfrową reprezentację tego bardzo złożonego procesu molekularnego, podczas którego różne typy komórek tworzących jajnik komunikują się ze sobą” – powiedział De Vlaminck.
Po obrazowaniu zmapowano transkryptomy, czyli typy RNA komórek, i zebrano fenotypy. Fenotyp to obserwowalna cecha ekspresji genów, która może dać wgląd w funkcję i aktywność komórki.
„Procesy zachodzące w jednym pęcherzyku różnią się całkowicie od procesów zachodzących w innym pęcherzyku, więc naprawdę potrzebujesz tego rodzaju pomiarów przestrzennych, aby móc zrozumieć tę biologię” – powiedział De Vlaminck.
Techniki te umożliwiły badaczom wizualizację, które programy sygnalizacji komórkowej umożliwiają komórkom jajowym komunikację z otaczającymi komórkami podczas owulacji. Identyfikując różne typy komórek, naukowcy starają się znaleźć nowe markery ważne dla etapów rozwoju.
„Mając tę mapę molekularną, możemy znaleźć markery, które następnie zainspirują nowe podejścia chemiczne i biologiczne w celu hamowania pewnych szlaków lub promowania określonych szlaków” – powiedział De Vlaminck. „Możemy teraz zacząć to eksplorować, aby lepiej zrozumieć, jaki rodzaj terapii może być możliwy”.
De Vlamnick wyraża podekscytowanie możliwością dalszego zgłębiania tej dziedziny biologii. Ma nadzieję wykorzystać tę technologię do sprawdzenia wpływu starzenia się na owulację, interakcji między otyłością a owulacją oraz powiązania otyłości z niepłodnością.
„Biologia tego preparatu jest niewiarygodnie piękna i zadziwiająca jest złożoność procesu i wszystkiego, co musi się wydarzyć na poziomie molekularnym, aby to ważne wydarzenie zakończyło się sukcesem” – powiedział De Vlamnick.
Ren ma również nadzieję kontynuować te badania, wykorzystując ten duży zbiór danych do badania konkretnych interesujących genów.
„Komórki bardzo się zmieniają podczas owulacji i zasadnicze znaczenie ma to, jak komórki rozmawiają ze sobą i zmieniają strukturę tkanki poprzez przebudowę” – powiedziała Ren. „Myślę, że jajnik to idealny model do badania kontroli zmian w tkance, który można zastosować do wszystkich tkanek ciała”.
Do Brooke Greenfield można dojechać pod adresem: [email protected].
