Eine krönende Leistung beim Verständnis der Kopfentwicklung

Konfokalmikroskopische Aufnahme eines erwachsenen Zebrafischkopfes mit von Neuralleisten abgeleiteten Zellen in Rot. Das Crump-Labor hat Einzelzell-Sequenzierung verwendet, um zu verstehen, wie diese Zellen das Kopfskelett aufbauen und reparieren, was Auswirkungen auf das Verständnis von menschlichen kraniofazialen Geburtsfehlern und die Verbesserung der Reparatur von Skelettgewebe hat. Bildnachweis: Bild von Hun-Jhen Chen/Crump Lab

Craniale Neuralleistenzellen oder CNCCs tragen zu viel mehr Körperteilen bei, als ihr bescheidener Name vermuten lässt. Diese bemerkenswerten Stammzellen bilden nicht nur den größten Teil des Schädel- und Gesichtsskeletts aller Wirbeltiere, vom Fisch bis zum Menschen, sondern können auch alles von Kiemen bis zur Hornhaut erzeugen. Um diese Vielseitigkeit zu verstehen, haben Wissenschaftler des Labors von Gage Crump im Laufe der Zeit eine Reihe von Atlanten erstellt, um die molekularen Entscheidungen zu verstehen, durch die sich CNCCs zur Bildung spezifischer Gewebe bei der Entwicklung von Zebrafischen verpflichten. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in Naturkommunikation, kann neue Erkenntnisse über die normale Kopfentwicklung sowie kraniofaziale Geburtsfehler liefern.

„CNCCs faszinieren Biologen seit langem durch die unglaubliche Vielfalt der Zelltypen, die sie erzeugen können. Durch die Untersuchung dieses Prozesses in genetisch steuerbaren Zebrafischen haben wir viele der potenziellen Schalter identifiziert, die es CNCCs ermöglichen, diese sehr unterschiedlichen Zelltypen zu bilden“, sagte Gage Crump, Professor für Stammzellbiologie und regenerative Medizin an der Keck School of Medicine of USC.

Unter der Leitung von Postdoc Peter Fabian und den Doktoranden Kuo-Chang Tseng, Mathi Thiruppathy und Claire Arata markierte das Wissenschaftlerteam CNCCs dauerhaft mit einem rot fluoreszierenden Protein, um zu verfolgen, welche Zelltypen während des Lebens von Zebrafischen von CNCCs stammten. Anschließend verwendeten sie einen leistungsstarken Ansatz, bekannt als „Single-Cell-Genomics“, um den vollständigen Satz aktiver Gene und die Organisation der Gene zu identifizieren DNA über Hunderttausende von einzelnen CNCCs. Die riesige Menge an generierten Daten erforderte von den Wissenschaftlern, ein neues Rechenwerkzeug zu entwickeln, um sie zu verstehen.

„Wir haben eine Art von Computeranalyse entwickelt, die wir ‚Konstellationen‘ nannten, weil die endgültige visuelle Ausgabe der Technik an Sternbilder am Himmel erinnert“, sagte Fabian. „Im Gegensatz zur Astrologie kann unser Constellations-Algorithmus wirklich die Zukunft von Zellen vorhersagen und die Schlüsselgene aufdecken, die wahrscheinlich ihre Entwicklung steuern.“

Durch diesen neuen bioinformatischen Ansatz entdeckte das Team, dass CNCCs nicht mit allen Informationen beginnen, die erforderlich sind, um die enorme Vielfalt der Zelltypen herzustellen. Stattdessen beginnen CNCCs erst, nachdem sie sich im Embryo verteilt haben, ihr genetisches Material zu reorganisieren, um sich darauf vorzubereiten, spezifische Gewebe zu werden. Konstellationen identifizierten genau genetische Anzeichen, die auf diese spezifischen Schicksale für CNCCs hinweisen. Real-Life-Experimente bestätigten, dass Constellations die Rolle einer Familie von „FOX“-Genen bei der Bildung von Gesichtsknorpel und eine zuvor nicht geschätzte Funktion der „GATA“-Gene bei der Bildung von Kiemen-Atemzelltypen, die Fischen das Atmen ermöglichen, richtig identifiziert hat.

„Durch die Durchführung einer der bisher umfassendsten Einzelzellstudien einer Wirbeltierzellpopulation haben wir nicht nur bedeutende Einblicke in die Entwicklung des Wirbeltierkopfes gewonnen, sondern auch ein breitgefächertes Rechenwerkzeug zur Untersuchung der Entwicklung und Regeneration von Organen geschaffen Systeme im ganzen Körper“, sagte Crump.

Referenz: „Lifelong single cell profiling of cranial neural crest diversification in zebrafish“ von Peter Fabian, Kuo-Chang Tseng, Mathi Thiruppathy, Claire Arata, Hung-Jhen Chen, Joanna Smeeton, Nellie Nelson und J. Gage Crump, 10. Januar 2022 , Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-021-27594-w

Weitere Co-Autoren im Crump Lab waren die Doktorandin Hung-Jhen Chen, die Postdoc Joanna Smeeton und die Forschungstechnikerin Nellie Nelson. Smeeton ist jetzt Assistenzprofessor bei Universität von Columbia, und Nelson ist Doktorand an der University of California, Irvine.

Die Forschung wurde von den National Institutes of Health staatlich gefördert (Zuschüsse NIDCR R35 DE027550, NIDCR K99 DE029858, NIDCR F31 DE029682-02, NICHD T32 HD060549).


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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