Internationales Team veröffentlicht erste Panorama-Atlanten des Lebens in Zellen

Internationale Wissenschaftler unter der Leitung von BGI-Research aus China haben heute räumliche Panorama-Atlanten des Lebens veröffentlicht, die die Zelldynamik von Organismen in verschiedenen Entwicklungsstadien untersuchen und potenziell bedeutende neue Informationen für die Behandlung von Krankheiten, die Entwicklung und das Altern sowie ein verbessertes Verständnis der biologischen Evolution liefern.

In einer Reihe von Studien verwendeten STOC-Mitglieder die von BGI-Research entwickelte räumlich aufgelöste Transkriptomik-Technologie Stereo-seq, um raumzeitliche Zellkarten von Mäusen, kleinen Fruchtfliegen (Drosophila), Zebrafischen und der Arabidopsis-Pflanze zu erstellen. Die Papiere zeigen, wie Stereo-seq einen großen Durchbruch bei der räumlichen Auflösung und dem Panorama-Sichtfeld erzielt hat, wodurch die Analyse der Verteilung und Platzierung von Molekülen und Zellen in situ und im Laufe der Zeit ermöglicht wird.

Die Veröffentlichung „Spatiotemporal Transcriptomic Atlas of Mouse Organogenesis Using DNA Nanoball-Patterned Arrays“ ist veröffentlicht in Zelle. Die anderen drei Studien zu Drosophila, Zebrafisch und Arabidopsis sind in veröffentlicht Entwicklungszelle. Die Identifizierung der Eigenschaften spezifischer Zellen innerhalb eines Gewebes hat bedeutende Anwendungen, um zu verstehen, welche Zellen Ursachen oder Indikatoren von Krankheiten sind, was möglicherweise zu zukünftigen Gewinnen in der Erforschung menschlicher Krankheiten führt.

„In der Vergangenheit waren Tausende oder sogar Zehntausende von Experimenten erforderlich, um eine raumzeitliche Karte zu vervollständigen. Jetzt, mit Stereo-seq, das von unseren Wissenschaftlern entwickelt wurde, kann dies schnell und umfassend mit einem erreicht werden. Dies ist ein Meilenstein in den Biowissenschaften technologischer Fortschritt“, sagte Dr. Chen Ao, der die Entwicklung der Stereo-seq-Technologie bei BGI-Research leitete und Erstautor des räumlich-zeitlichen Atlas-Papiers für Mäuse ist.

Mehr als 80 Wissenschaftler aus 16 Ländern, darunter Wissenschaftler der Harvard University, der Oxford University, des Massachusetts Institute of Technology, der University of Cambridge, des Karolinska Institutet, der University of Western Australia, des Genome Institute of Singapore und des BGI, haben bisher zusammengearbeitet Teil von STOC, einem offenen wissenschaftlichen Kollaborationskonsortium, das sich auf die Verwendung räumlich aufgelöster Omics-Technologien mit zellulärer Auflösung konzentriert, um Leben zu kartieren und zu verstehen.

Die räumliche Transkriptomik-Technologie ist eine aufstrebende Technologie, die frühere Probleme bei der Identifizierung von Eigenschaften einzelner Zellen in einem biologischen Gewebe löst. Es baut auf den Errungenschaften der Einzelzellsequenzierung auf und hebt sie auf die nächste Stufe, indem es Wissenschaftlern ermöglicht, den genauen Standort einer Zelle und ihre Interaktion mit ihren Nachbarn zu verfolgen.

Um dies zu erreichen, wurde BGIs eigene patentierte DNA-Nanoball-Sequenzierungstechnologie, die kleine DNA-Fragmente in größere Proben amplifiziert, mit seiner In-situ-RNA-Capture-Technologie kombiniert, um Stereo-seq (SpaTial Enhanced REsolution Omics-Sequencing) zu erstellen, mit dem eine subzelluläre erreicht werden kann Auflösung von 500 Nanometern (entspricht 0,0000005 Meter) kombiniert mit einem Panorama-Sichtfeld von Zentimetern.

„Die Entwicklung des Einzelzellanalyseansatzes in den letzten zwanzig Jahren hat wirklich einen bemerkenswerten Unterschied in unserer Fähigkeit gemacht, zu verstehen, wie sich Zellen voneinander unterscheiden. In jüngerer Zeit wurde es möglich, diese Analyse damit zu kombinieren, wo sich Zellen in einem Gewebe befinden oder Organoid-Gewebeschnitt“, sagte Patrick Maxwell, Regius-Professor für Physik und Leiter der School of Clinical Medicine in Cambridge und Co-Autor des räumlich-zeitlichen Atlas-Papiers der Maus. „Meiner Ansicht nach bringt dieses neue Papier dies auf eine neue Ebene, indem es ein Sichtfeld von beträchtlicher Größe kombiniert, das es ermöglicht, ein Gewebe im Maßstab eines sich entwickelnden Mausembryos zu analysieren, zusammen mit einer sehr hohen Auflösung mit einem sehr tiefen Transkriptom Lesetiefe.“

„Dies ermöglicht uns und den Nutzern dieser Daten, die frei verfügbar sein werden, einige sehr faszinierende Fragen darüber, wie die Entwicklung von Säugetieren funktioniert und wie Gewebe organisiert sind, wirklich zu verstehen. Das wird uns Einblicke in Entwicklungsprozesse und normale Gewebefunktionen geben , und auch Krankheiten“, fügte er hinzu.

Wenn wir die Untersuchung von Zellen mit der Untersuchung des Ökosystems vergleichen, ermöglichten frühere Technologien Wissenschaftlern zu verstehen, welche Tiere oder Pflanzen auf der Erde leben. Mit Stereo-seq können Wissenschaftler nachvollziehen, zu welchem ​​Land, zu welchem ​​Gebiet, zu welchem ​​Lebensraum, zu welcher Gemeinschaft alle Tiere oder Pflanzen gehören. Gleichzeitig können Wissenschaftler auch verstehen, was jedes Tier tut, seine Vergangenheit, Familiengeschichte, Interaktion mit anderen Herden und wie es sich vermehren und entwickeln kann.

Die Wissenschaftler verwendeten Stereo-seq, um die frühe Embryonalentwicklung von Mäusen zu untersuchen, insbesondere von 9,5 bis 16,5 Tagen, während denen die Embryonalentwicklung mit hoher Geschwindigkeit abläuft. Stereo-seq generierte den Maus-Organogenese-Spatiotemporal-Transkriptomie-Atlas (MOSTA), der mit Einzelzellauflösung und hoher Empfindlichkeit die Kinetik und Richtung der Transkriptionsvariation während der Maus-Organogenese abbildet.

„Stereo-seq ist ein revolutionärer Durchbruch in der Technologie der räumlichen Transkriptomik und ist heute die leistungsfähigste Technologie auf diesem Gebiet der Biowissenschaften“, sagte Dr. Liu Longqi von BGI-Research, einer der korrespondierenden Autoren der Veröffentlichungen. „Wir haben jetzt eine Technologie, um einen Panorama-Atlas jeder Zelle in einem Organismus gemäß ihren individuellen biomolekularen Profilen räumlich und über die Zeit zu kartieren Auflösung nie zuvor möglich.“

Zum ersten Mal konnten die Wissenschaftler eine Reihe von hochauflösenden Karten erstellen, die die genaue Lage der etwa 300.000 Zellen des Embryos vom Tag 16,5 zeigen. BGI-Research nutzte diese Informationen, um einen Panoramaatlas der Maus zu erstellen und Einblicke in die molekularen Grundlagen der Zellvariation und -differenzierung in sich entwickelnden Geweben des Gehirns, einschließlich des dorsalen Mittelhirns, zu gewinnen.

„Die erfolgreiche Anwendung unserer Stereo-seq-Technologie für die Entwicklung hat erhebliche Auswirkungen auf die Zukunft der Genomforschung zu menschlichen Krankheiten“, sagte Co-Autor Dr. Xu Xun, Direktor von BGI-Research. „Der Nachweis, dass diese Technologie bestimmte Zellen lokalisieren kann, die auf eine zukünftige Krankheit hinweisen, wird für die Diagnostik und Therapie einer Reihe von Erkrankungen von entscheidender Bedeutung sein.“

Beispielsweise ist das Robinow-Syndrom ein häufiger Geburtsfehler. Ein damit verwandtes Gen wurde klinisch gefunden, aber wie dieses Gen Defekte wie Lippen-Kiefer-Gaumenspalten und Gliedmaßenverkürzung verursacht, ist unbekannt. Die Forscher kartierten das mit der Lippen-Kiefer-Gaumenspalte zusammenhängende Gen im Verlauf der Embryonalentwicklung der Maus und stellten fest, dass das Gen in den Lippen und Zehen der Maus vorhanden war und eine hohe Expression aufwies. Dies zeigte, dass das Gen bei der Entwicklung von Lippen und Zehen bei Mäusen sehr wichtig ist. Wenn dieses Gen mutiert ist, wird die Entwicklung von Lippen und Zehen abnormal sein. Dieses Wissen wird möglicherweise Forschern helfen, die Geburtsfehler des Robinow-Syndroms beim Menschen untersuchen.

Das vom BGI geleitete Team führte ähnliche embryonale Untersuchungen mit dem Zebrafisch durch, der eine Tragzeit von nur 24 Stunden hat, und erstellte auch ein 3-D-Modell der Zellkarte der kleinen Fruchtfliege Drosophila. Der räumlich-zeitliche Transkriptomik-Atlas der Embryonalentwicklung in Drosophila, Zebrafisch und Maus hat neue Türen für die Untersuchung embryonaler Muster und verwandter molekularer Mechanismen während der Embryonalentwicklung geöffnet und wichtige Datenreferenzen für weitere Arbeiten sowie einen Maßstab für die Enträtselung der Embryonalentwicklung bereitgestellt.

Durch die Anwendung der Stereo-seq-Forschung auf die Blattzellen der Arabidopsis-Pflanze konnten die Forscher die langjährige Schwierigkeit für Forscher überwinden, räumlich aufgelöste Einzelzell-Omics-Studien an Blättern und anderen Pflanzengeweben durchzuführen. BGI-Research konnte zeigen, dass die Stereo-seq-Technologie in der pflanzenwissenschaftlichen Forschung und Pflanzenzüchtungsforschung eingesetzt werden kann. Einige Schlüsselanwendungen umfassen das Verständnis von Schlüsselgenen, die an der Saatgutentwicklung beteiligt sind, Mechanismen hinter Dürreresistenz, Mechanismen hinter Hitzeresistenz und Mechanismen hinter Salztoleranz für Grundnahrungsmittel von Reis über Weizen bis Mais. Dies könnte zum Anbau hochwertiger, stressresistenter Pflanzenstämme beitragen, die für viele globale Nachhaltigkeitsinitiativen wichtig sind.

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