Des scientifiques internationaux dirigés par le BGI-Research chinois ont publié aujourd’hui des atlas spatiaux panoramiques de la vie, examinant la dynamique cellulaire des organismes à différents stades de développement et fournissant de nouvelles informations potentiellement importantes pour le traitement des maladies, le développement et le vieillissement, ainsi qu’une meilleure compréhension de l’évolution biologique.
Dans une série d’études, les membres du STOC ont utilisé la technologie de transcriptomique résolue spatialement Stereo-seq, développée par BGI-Research, pour produire des cartes cellulaires spatio-temporelles de souris, de petites mouches des fruits (drosophile), de poisson zèbre et de la plante Arabidopsis. Les articles démontrent comment Stereo-seq a réalisé une percée majeure dans la résolution spatiale et le champ de vision panoramique, permettant l’analyse de la distribution et du placement des molécules et des cellules in situ et dans le temps.
L’article, « Spatiotemporal transcriptomic atlas of mouse organogenesis using DNA nanoball-patterned arrays », est publié dans Cellule. Les trois autres études sur Drosophila, zebrafish et Arabidopsis sont publiées dans Cellule de développement. L’identification des caractéristiques de cellules spécifiques dans un tissu a des applications importantes pour comprendre quelles cellules sont des causes ou des indicateurs de maladie, ce qui pourrait conduire à des gains futurs dans la recherche sur les maladies humaines.
« Dans le passé, il fallait des milliers, voire des dizaines de milliers d’expériences pour compléter une carte spatio-temporelle. Aujourd’hui, avec Stereo-seq développé par nos scientifiques, cela peut être réalisé rapidement et de manière complète avec une seule. Il s’agit d’une avancée majeure dans les sciences de la vie. l’avancement de la technologie », a déclaré le Dr Chen Ao, qui a dirigé le développement de la technologie Stereo-seq chez BGI-Research et est le premier auteur de l’article sur l’atlas spatio-temporel de la souris.
Plus de 80 scientifiques de 16 pays, dont des scientifiques de l’Université de Harvard, de l’Université d’Oxford, du Massachusetts Institute of Technology, de l’Université de Cambridge, du Karolinska Institutet, de l’Université d’Australie-Occidentale, du Genome Institute de Singapour et de BGI, ont jusqu’à présent collaboré comme fait partie de STOC, un consortium de collaboration scientifique ouvert axé sur l’utilisation de technologies omiques de résolution cellulaire à résolution spatiale pour cartographier et comprendre la vie.
La technologie de transcriptomique spatiale est une technologie émergente qui résout les problèmes antérieurs d’identification des caractéristiques de cellules individuelles dans un tissu biologique. Il s’appuie sur les réalisations du séquençage unicellulaire, l’élevant au niveau supérieur en permettant aux scientifiques de suivre l’emplacement précis d’une cellule et la façon dont elle interagit avec ses voisines.
Pour y parvenir, la propre technologie brevetée de nanobilles d’ADN de séquençage de BGI, qui amplifie de petits fragments d’ADN dans des échantillons plus grands, a été combinée à sa technologie de capture d’ARN in situ pour créer Stereo-seq (SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing), capable d’obtenir un séquençage subcellulaire résolution de 500 nanomètres (équivalent à 0,0000005 mètre) associée à un champ de vision panoramique centimétrique.
« Le développement de l’approche analytique des cellules uniques au cours des vingt dernières années a vraiment fait une différence remarquable dans notre capacité à comprendre comment les cellules diffèrent les unes des autres. Plus récemment, il a commencé à être possible de combiner cette analyse avec l’emplacement des cellules dans un tissu. ou section de tissu organoïde », a déclaré Patrick Maxwell, professeur Regius de physique et directeur de l’École de médecine clinique de Cambridge, et co-auteur de l’article sur l’atlas spatio-temporel de la souris. « À mon avis, ce nouvel article porte cela à un nouveau niveau en combinant un champ de vision de taille substantielle, permettant d’analyser un tissu à l’échelle d’un embryon de souris en développement, ainsi qu’une très haute résolution avec une analyse transcriptomique très profonde. profondeur de lecture. »
« Cela nous permet, ainsi qu’aux utilisateurs de ces données, qui seront librement disponibles, de vraiment commencer à comprendre des questions très fascinantes sur le fonctionnement du développement des mammifères et l’organisation des tissus. Cela nous donnera un aperçu des processus de développement, de la fonction normale des tissus. , et aussi des maladies », a-t-il ajouté.
Si l’on compare l’étude des cellules à l’étude de l’écosystème, les technologies précédentes permettaient aux scientifiques de comprendre quels animaux ou plantes se trouvent sur terre. Avec Stereo-seq, les scientifiques peuvent comprendre à quel pays, à quelle région, à quel habitat, à quelle communauté appartiennent tous les animaux ou les plantes. Dans le même temps, les scientifiques peuvent également comprendre ce que fait chaque animal, son passé, ses antécédents familiaux, ses interactions avec d’autres troupeaux et comment il peut proliférer et se développer.
Les scientifiques ont utilisé Stereo-seq pour examiner le développement embryonnaire précoce des souris, en particulier de 9,5 à 16,5 jours pendant lesquels le développement embryonnaire se déroule à un rythme rapide. Stereo-seq a généré le Mouse Organogenese Spatiotemporal Transcriptomic Atlas (MOSTA), qui cartographie avec une résolution unicellulaire et une sensibilité élevée la cinétique et la directionnalité de la variation transcriptionnelle au cours de l’organogenèse de la souris.
« Stereo-seq est une percée transformationnelle dans la technologie de transcriptomique spatiale et est la technologie la plus puissante dans ce domaine des sciences de la vie aujourd’hui », a déclaré le Dr Liu Longqi de BGI-Research, l’un des auteurs correspondants des articles. « Nous avons maintenant une technologie pour cartographier un atlas panoramique de chaque cellule d’un organisme, selon leurs profils biomoléculaires individuels, dans l’espace et dans le temps. Nous avons démontré sa robustesse et réussi à cartographier la physiologie moléculaire animale et végétale à une échelle et résolution jamais possible auparavant. »
Pour la première fois, les scientifiques ont pu produire une série de cartes haute définition montrant l’emplacement précis des quelque 300 000 cellules de l’embryon au jour 16,5. BGI-Research a utilisé ces informations pour produire un atlas panoramique de la souris et mieux comprendre la base moléculaire de la variation et de la différenciation cellulaire dans les tissus en développement du cerveau, y compris le mésencéphale dorsal.
« L’application réussie de notre technologie Stereo-seq pour le développement a des implications importantes pour l’avenir de la recherche génomique sur les maladies humaines », a déclaré le co-auteur correspondant, le Dr Xu Xun, directeur de BGI-Research. « Démontrer que cette technologie peut identifier certaines cellules qui indiquent une future maladie sera essentiel pour le diagnostic et la thérapeutique d’un certain nombre de conditions. »
Par exemple, le syndrome de Robinow est une anomalie congénitale courante. Un gène lié à cela a été trouvé cliniquement, mais la façon dont ce gène provoque des défauts, notamment une fente labiale et palatine et un essoufflement des membres, est inconnue. Les chercheurs ont cartographié le gène lié à la fente labiale et palatine dans le processus de développement embryonnaire de la souris et ont découvert que le gène était présent dans les lèvres et les orteils de la souris et présentait une expression élevée. Cela a démontré que le gène est très important dans le développement des lèvres et des orteils chez la souris. Si ce gène est muté, le développement des lèvres et des orteils sera anormal. Ces connaissances aideront potentiellement les chercheurs à étudier les malformations congénitales du syndrome de Robinow chez l’homme.
L’équipe dirigée par BGI a mené des recherches embryonnaires similaires sur le poisson zèbre, qui a une période de gestation de seulement 24 heures, et a également produit un modèle 3D de la carte cellulaire de la petite mouche des fruits Drosophila. L’atlas transcriptomique spatio-temporel du développement embryonnaire chez la drosophile, le poisson zèbre et la souris a ouvert de nouvelles portes pour l’étude de la structuration embryonnaire et des mécanismes moléculaires associés au cours du développement embryonnaire, fournissant des références de données importantes pour des travaux ultérieurs ainsi qu’une référence pour démêler l’évolution embryonnaire.
En appliquant la recherche Stereo-seq sur les cellules foliaires de la plante Arabidopsis, les chercheurs ont pu surmonter la difficulté à long terme pour les chercheurs de mener des études omiques unicellulaires à résolution spatiale sur les feuilles et d’autres tissus végétaux. BGI-Research a pu démontrer que la technologie Stereo-seq peut être appliquée dans la recherche scientifique sur les plantes et la recherche sur la sélection des cultures. Certaines applications clés incluent la compréhension des gènes clés impliqués dans le développement des semences, les mécanismes de résistance à la sécheresse, les mécanismes de résistance à la chaleur et les mécanismes de tolérance au sel, pour les cultures de base du riz au blé en passant par le maïs. Cela pourrait contribuer à la culture de souches végétales de haute qualité et résistantes au stress, importantes pour de nombreuses initiatives mondiales de durabilité.
Ao Chen et al, atlas transcriptomique spatio-temporel de l’organogenèse de la souris à l’aide de réseaux à motifs de nanobilles d’ADN, Cellule (2021). DOI : 10.1101/2021.01.17.427004
Mingyue Wang et al, Cartes transcriptomiques spatio-temporelles 3D haute résolution des embryons et des larves de drosophile en développement, Cellule de développement (2022). DOI : 10.1016/j.devcel.2022.04.006
Chang Liu et al, Cartographie spatio-temporelle des paysages d’expression génique et des trajectoires de développement au cours de l’embryogenèse du poisson zèbre, Cellule de développement (2022). DOI : 10.1016/j.devcel.2022.04.009
Keke Xia et al, Le stéréo-seq unicellulaire révèle des sous-types de cellules spécifiques à la région et le profilage du transcriptome dans les feuilles d’Arabidopsis, Cellule de développement (2022). DOI : 10.1016/j.devcel.2022.04.011
Fourni par le groupe BGI