Il percorso dell'embrione da cellula a organismo completo

Ricostruito per la prima volta il percorso di sviluppo dell'embrione che porta da una singola cellula uovo fecondata a un organismo completo. Il risultato, ottenuto grazie ai progressi che rendono possibile tracciare mappe dell'espressione genica di tutte le cellule di un embrione, rivela uno scenario molto più dinamico e complesso del previstodi Heidi Ledford / Nature
















Le accurate analisi genomiche di migliaia di singole cellule di rane e pesci hanno permesso di ottenere le tabelle di marcia estremamente dettagliate del percorso di un embrione da una singola cellula a un organismo completamente formato.

I risultati dipingono il quadro di un modello di sviluppo più fluido di quello descritto in molti libri di testo, dice Sean Megason biologo dei sistemi alla Harvard Medical School a Boston, in Massachusetts. "Diverse cose accadono in momenti diversi, a volte più velocemente di quanto avevamo stimato", spiega. "E spesso c’è più di un continuum di stati cellulari".

Il lavoro, descritto da Megason e altri in tre articoli pubblicati il 26 aprile su “Science”, aiuterà i ricercatori a monitorare le fasi chiave dello sviluppo, e a scoprire i processi che contribuiscono a particolari condizioni, come l'autismo o il cancro. Un terzo di tutte le malattie neurologiche fa la sua prima comparsa durante lo sviluppo, afferma Sten Linnarsson, neuroscienziato deal Karolinska Institut di Stoccolma. "E probabilmente in una fase abbastanza iniziale."

Embrione di rana.

I ricercatori cercavano da tempo di creare mappe dell’espressione genica, ma per molti anni hanno potuto concentrarsi solo su singoli geni o minuscoli gruppi di cellule. I progressi tecnologici nel sequenziamento del DNA e negli algoritmi informatici consentono ora agli scienziati di analizzare l'espressione di migliaia di geni in una singola cellula.

Questo ha innescato una corsa all’uso di quelle tecniche nella biologia dello sviluppo. Lo scorso luglio, per esempio, il Paul G. Allen Frontiers Group, un'iniziativa di ricerca con sede a Seattle, ha annunciato che avrebbe stanziato 10 milioni di dollari in quattro anni per progetti che sfruttano quei metodi per creare mappe dello sviluppo cellulare.

Allon Klein, biologo dei sistemi 

alla Harvard Medical School, intendeva creare questo tipo di mappe dettagliate fin da quando aveva iniziato a elaborare metodi per il sequenziamento dell'RNA di singole cellule, nel 2012. Ma allora era considerata un’impresa ancora impossibile, dice. "Oggi la situazione è molto diversa da quella di quando abbiamo iniziato".

Un destino flessibile
Per gli studi più recenti, un gruppo guidato da Klein e dal biologo dei sistemi Marc Kirschner, anch’egli alla Harvard Medical School, ha analizzato l'espressione genica in ciascuna delle quasi 140.000 cellule prelevate da embrioni di rana Xenopus tropicalis nell'arco di 17 ore di sviluppo. Klein ha anche collaborato con Megason e altri per mappare l'espressione genica in 92.000 cellule raccolte da embrioni di pesce zebra (Danio rerio) nel corso di una giornata, un tempo sufficiente per consentire lo sviluppo da una singola cellula a un embrione con cuore battente.

Un terzo team, guidato dal biologo computazionale Aviv Regev del Broad Institute of MIT e dal biologo Alexander Schier della Harvard University, ha analizzato quasi 39.000 cellule provenienti da embrioni di pesce zebra durante le prime 12 ore di sviluppo.

Seguire gli embrioni nel tempo ha permesso ai ricercatori di osservare come le cellule assumessero via via ruoli specializzati, diventando, per esempio, tessuto nervoso o pelle. A volte le cellule che sembravano indirizzate a un certo destino si sono dirette verso un altro, probabilmente a causa della loro posizione nell'embrione, dice Schier.

Sviluppo della notocorda in un embrione di pesce zebra. (© Science Photo Library / AGF)

"Le cellule sono più plastiche di quanto pensassimo", spiega. "Seguire un percorso per poi cambiare strada e seguirne un altro potrebbe essere una cosa abbastanza comune per le cellule."

Diramazioni
I ricercatori hanno inserito le loro mappe in banche dati consultabili da altri studiosi che vogliono scoprire dove viene espresso un gene e in quale stadio di sviluppo. Thomas Schilling, biologo dello sviluppo all'Università della California a Irvine, spera di estrarre i dati sullo sviluppo della cresta neurale, una struttura presente nei vertebrati che dà origine a molti tipi di cellule, tra cui alcune cellule cerebrali.

"Siamo interessati a quando le cellule iniziano a differenziarsi per diversi destini, e a definire gli stati di transizione", dice, aggiungendo che il suo laboratorio potrebbe prendere in considerazione un esperimento simile focalizzato più precisamente sullo sviluppo della cresta neurale.

Ora che le tecniche e gli algoritmi sono stati sviluppati, Klein spera di applicare i metodi a una vasta gamma di creature, per saperne di più sul modo in cui l'evoluzione modella lo sviluppo.

Inizialmente, il suo team si è concentrato sui vertebrati, dice, a causa della loro vicinanza evolutiva con gli esseri umani. Ora, spera che i ricercatori possano studiare parenti più lontani, come il cordato invertebrato anfiosso e gli emicordati vermiformi, per comprendere l'evoluzione del midollo spinale. "Capire come l'evoluzione ha modificato le dinamiche di espressione genica dello sviluppo per creare ogni nuovo tipo di cellula e organo sarà affascinante", dice.