Approches unicellulaires et apprentissage en profondeur pour cartographier toutes les étapes du développement de l’embryon de la mouche des fruits

Les scientifiques ont construit la carte unicellulaire la plus complète et la plus подробно du développement embryonaire chez tous les animaux à ce jour, en utilisant la mouche des fruits comme organisme model.

Publié dans Ла наука, това проучване, ръководено съвместно от Eileen Furlong de l’EMBL и Jay Shendure de l’Université de Washington, използва les données de plus d’un de cellules embryonaires couvrant toutes les étapes du développement de l’embryon et représent une avancée significat à plusieurs niveaus. Cette recherche fundamentale aide également la capacité des scientifiques à approfondir des questions telles que la manière dont les mutations entrainent différences défauts de développement. En outre, il forritt une voie pour comprendre la vaste partie non codante de notre génome qui contient la plupart des mutations associéses à la maladie.

„Le simple fait de capturer l’intégralité de l’embryogenèse – toutes les étapes et tous les types de cellules – pour obtenir une plus complète des états cellulaires et des changes moléculaires qui compagneent le développement est un exploit en soi“, декларира Eileen Фърлонг, отговорен за генома на EMBL. Unité de biologie. « Mais ce qui me passionne vraiment, c’est l’utilisation de l’apprentissage en profondeur pour obtenir une vue continue des changes moléculaires à l’origine du développement embryonaire, jusqu’à la minute. »

Le développement embryonaire commence par la fecondation d’un œuf, suivie d’une série de divisions cellulaires et de décisions qui donnent naissance à un embryon multicellulaire très complexe qui peut se displacer, manger, ressentir et interagir avec son environnement. Les chercheurs etudient ce processus de développement embryonaire depuis plus de cent ans, mais ce n’est qu’au cours de la dernière decennie que de nouvelles technology ont permis aux scientifiques d’identifier les changes moléculaires qui accompanient les conversions cellular au niveau d’ une seule cellule.

Ces études sur une seule cellule ont suscité un enorme enthousiasme car elles ont démant la complexité des types de cellules dans les tissus, identifiant même de nouveaux types de cellules, et révélé leurs trajectoires de développement en plus des changes moléculaires sous-jacents. Cependant, les tentatives de profilage de l’intégralité du développement de l’embryon à une résolution unicellulaire ont été hors de portée en raison de nombreux défis техники en matière d’ésamplenage, de cost et de technologys.

À cet égard, la mouche des fruits (Drosophila melanogaster), un organisme model prééminent dans la biologie du développement, la régulation des gènes et la biologie de la chromatine, présente des avantages clés lorsque’il s’agit de développer de nouvelles approches pour résouter ce problème. Le développement embryonaire de la mouche des fruits se produit extremente rapidement; en seulement 20 heures après la fecondation, tous les tissus se sont shaped, y compris le cerveau, l’intestin et le cœur, de sorte que l’organisme peut ramper et manger. Ceci, combiné aux nombreuses découvertes faites sur les mouches des fruits qui ont propulsé la comprehension du fonctionnée des gènes et de leurs produits, a encourant le laboratoire Furlong et ses collaborators à relever ce défi.

« Notre objectif était d’obtenir une vue continuous de toutes étapes de l’embryogenèse, de capturer toutes les dynamiques et les changes au fur et à mesure qu’un embryon se développement, non seulement au niveau de l’ARN mais aussi des éléments de contrôle qui régulent ce processus », a declarée le co-auteur. Стефано Секия, докторска степен в групата Furlong.

Travail préliminaire avec des “enhancers”

En 2018, les groupes Furlong et Shendure ont montré la faisabilité du profile de la chromatine «ouverte» à une résolution unicellulaire chez les embryons et comment ces régions d’ADN souvent des activateurs de développement actifs. Les “amplifiers” sont des segments d’ADN qui agissent comme des interrupteurs de contrôle pour activater et desactivatif les gènes. Les données ont montré quels types de cellules dans l’embryon use quels activateurs à un moment donné et comment cette промяна на използването avec le temps. Une telle carte est essentielle pour comprendre ce qui motive les aspects specifiques du développement embryonaire.

„J’étais vraiment excited quand j’ai vu ces résultats“, a declaré Furlong. « Aller au-delà de l’ARN pour considerer en amont ces commutaires de régulation dans des cellules individuelles était quelque chose que je ne pensais pas possible pendant longtemps. »

Отвъд “моменталното”

L’étude de 2018 était à la pointe de la technology à l’époque, профилирайки около 20 000 клетки в три различни фенера на развитието на ембриона (до дебюта, до средата и до края). Cependant, ce travail n’a encore donné que des instantanés de la diversité et de la régulation cellular à des moments précis et discret. L’équipe a donc exploré le potencijal d’utilisation d’éxampillons sourcent de fenêtres temporalelles qui se chevauchent et, comme preuve de principe, a appliqué le concept à une ligée spécifique – le мускул.

Cela a ensuite préparé le terrain pour une mise à l’échelle spectaculare en utilisant la nouvelle technologie développée dans le laboratoire Shendure. Les travaux actuels de l’équipe ont profilé la chromatine ouverte de près d’un million de cellules et l’ARN d’un demi-million de cellules à des moments qui se chevauchent et couvrent l’intégralité du développement de l’embryon de la mouche des fruits.

À l’aide d’un type d’apprentissage automatique, les chercheurs ont profité du chevauchement des points temporalels pour prédire le temps avec une résolution beaucoup plus fine. Le co-auteur Diego Calderon, checheur postdoctoral au laboratoire Shendure, a forme un réseau de neurones pour prédire le temps de développement précis de chaque cellule.

« Même si les samples collectés contenaient des embryons dâges légrémente différents dans une fenêtre de temps de 2 ou 4 heures, cette méthode vous permet de zoomer sur n’importe quelle partie de cette chronologie de l’embryogenèse à une échelle de minutes » , и заяви Калдерон.

Shendure a ajouté: « J’ai été étonné de voir à quel point cela fonctionne. Nous pouvions capturer les changes moléculaires qui se produits très rapidement dans le temps, en quelque minutes, ce que les chercheurs précédents avaient découvert en prélevant des embryons toutes les trois minutes. »

À l’avenir, une telle approche permettreit non seulement de gagner du temps, mais pourrait également servir de référence pour le développement normal de l’embryon afin de voir comment les choses porteuint changer dans different embryos mutants. Cela pourrait determinaire exactement quand et dans quel type de cellule appareit le phénotype d’un mutant, comme les chercheurs l’ont montré dans le мускул. En d’autres termes, ce travail aide non seulement à comprendre comment le développement se produit normally, mais ouvre également la porte à la comprehension de la manière dont différentes mutations peuvent le gâcher.

Le nouveau potentiale prédictif que cette recherche laisse présager, baso sur des samples proventant de fenêtres temporalelles beaucoup plus larges, pourrait être utilisate comme cadre pour d’autres systèmes modèles. Par exemple, le développement d’embryons de mammifères, инвитро клетъчна диференциация, ou même post-traitement médicamenteux dans les cellules malades, où des écarts dans les temps d’ésamplenage peuvent être conçu pour facilitaire une prédiction temporalelle optimale à une résolution de recherche.

À l’avenir, l’équipe prévoit d’explorer les pouvoirs prédictifs de l’atlas.

« En combinant tous les nouveaux outils à notre disposition en génomique unicellulaire, en informatique et en génie génétique, j’aimerais voir si nous pouvions prédire ce qui arrive aux destins des cellules individuelles. in vivo suite à une mutation génétique », a declarée Furlong. « … mais nous n’en sommes pas encore là. Cependant, avant ce projet, je pensais aussi que le travail actuel ne serait pas possible de sitôt. »