به گزارش اطلاعات آنلاین، دانشمندان با استفاده از یک سیستم ثبت DNA قابل توجه که تاریخچه خانوادگی سلول‌های منفرد را آشکار می‌کند، رشد جنین موش را از دو سلول اول تا تشکیل اندام‌ها ردیابی کرده‌اند. یافته‌های آنها نشان می‌دهد که چگونه انواع مختلف سلول‌ها طبق برنامه‌های خود ظاهر می‌شوند و می‌توانند به توضیح علت نقص‌های مادرزادی، اختلالات ژنتیکی و سرطان کمک کنند.
آنها یک شجره‌نامه‌ی خانوادگی فوق‌العاده دقیق از سلول‌های یک جنین موش در حال رشد را بازسازی کرده‌اند و منشأ آنها را تا لحظه‌ای که یک تخم بارور شده برای اولین بار به دو سلول تقسیم شد، ردیابی کرده‌اند. محققان با استفاده از یک فناوری نوآورانه ثبت DNA، چگونگی تکثیر این سلول‌های اولیه، توسعه‌ی نقشهای تخصصی و در نهایت کمک به تشکیل بدنی با اندام‌ها و بافت‌های متمایز را دنبال کردند.
این ثبت، ۱۳.۵ روز اول رشد جنینی را پوشش می‌دهد و نگاهی غیرمعمول و دقیق به چگونگی شکل‌گیری بدن پیچیده‌ی پستانداران ارائه می‌دهد. (دوره کامل بارداری در موش‌ها ۱۹ تا ۲۱ روز است.)
این یافته‌ها می‌تواند به دانشمندان در درک بهتر رشد طبیعی و اتفاقاتی که هنگام بروز مشکل در این فرآیند رخ می‌دهد، کمک کند.
چنین تحقیقاتی در نهایت می‌تواند دانش مربوط به ناهنجاری‌های مادرزادی، شرایط عصبی-رشدی، اختلالات ژنتیکی یا سرطان را ارتقا دهد.
یک ماشین تحریر DNA تاریخچه سلول‌های زنده را ثبت می‌کند
این دستاورد با فناوری به نام ماشین تحریر DNA امکان‌پذیر شد. این سیستم به جای مشاهده ساده سلول‌ها هنگام تقسیم، به دانشمندان اجازه می‌دهد تا سابقه‌ای از تاریخچه آنها را مستقیماً در DNA خود حفظ کنند.
برای دستیابی به این هدف، محققان یک توالی ضبط مجدد، که آن را نوار می‌نامند، را در ژنوم یک تخم بارور شده موش قرار دادند. طراحی به‌روز شده، بازیابی اطلاعات ذخیره شده در سلول‌های منفرد را آسان‌تر کرد.
با رشد جنین، دستگاه تایپ DNA در ماده ژنتیکی سلول‌های آن جاسازی شده و تقسیمات آنها را به گونه‌ای ثبت می‌کرد که بعداً می‌توانست برای بازسازی اجداد آنها استفاده شود. نتیجه چیزی شبیه به یک دفترچه یادداشت بیولوژیکی بود که توالی وقایعی را که باعث ایجاد جمعیت‌های سلولی مختلف شده بود، مستند می‌کرد. با این تفاوت که به جای کاغذ، روی DNA خود سلول تایپ می‌کند. هر بار که یک سلول تقسیم می‌شود، یک کاراکتر جدید را به خط خالی بعدی اضافه می‌کند. همیشه به ترتیب، هرگز آنچه را که از قبل وجود دارد، بازنویسی نمی‌کند. از آنجا که کاراکترها همیشه به ترتیب پر می‌شوند، آن توالی خود تاریخچه تقسیم سلول را بیان می‌کند.
از آنجا که این نشانه‌ها به سلول‌های دختر منتقل می‌شوند، محققان می‌توانند توالی‌های ثبت‌شده را بررسی کرده و مشخص کنند که کدام سلول‌ها از یک جد مشترک منشأ گرفته‌اند. سلول‌هایی که بخش‌های منطبق با این رکورد را حمل می‌کنند، می‌توانند به هم پیوند داده شوند و به دانشمندان اجازه دهند شاخه‌های شجره‌نامه جنین را بازسازی کنند.
غلبه بر یک چالش بزرگ در زیست‌شناسی تکوینی
بازسازی کل تاریخ یک پستاندار در حال رشد، مدت‌هاست که یک چالش بزرگ بوده است. با رشد جنین، سلول‌های آن بارها تقسیم می‌شوند و شروع به انجام عملکردهای تخصصی می‌کنند. دنبال کردن این روابط با افزایش تعداد و تنوع سلول‌ها، به طور فزاینده‌ای دشوار می‌شود.
دانشمندان دهه‌ها پیش در یک کرم گرد کوچک به موفقیت مشابهی دست یافتند، اما آن حیوان بدن نسبتاً ساده‌ای با سلول‌های بسیار کمتری دارد. شفافیت آن نیز مطالعه رشد را آسان‌تر می‌کند.
پستانداران به طور قابل توجهی پیچیده‌تر هستند. فناوری‌های قبلی بینش‌های مهمی در مورد رشد جنینی موش ارائه دادند، اما آنها عموماً تنها بخش‌هایی از شجره‌نامه سلولی بزرگتر را ثبت می‌کردند.
برخی از تکنیک‌های ضبط سنتی نیز محدودیت‌های قابل توجهی دارند. آنها با برش DNA برای ایجاد علائم شناسایی کار می‌کنند که می‌تواند به سلول‌ها آسیب برساند و اطلاعات به جا مانده از تقسیمات قبلی را پاک کند. ظرفیت ضبط آنها محدود است و از آنجا که علائم لزوماً در یک توالی ثابت ایجاد نمی‌شوند، دانشمندان باید تلاش کنند تا ترتیب وقایع را پس از آن بازسازی کنند.
ماشین تحریر DNA از همه این موارد جلوگیری می‌کند؛ این دستگاه بدون جدا کردن کامل DNA می‌نویسد، ثبت را نسبتاً پیوسته ادامه می‌دهد و همه چیز را با نظم دقیقی ثبت می‌کند، بنابراین می‌توان دودمان‌های سلولی را با وضوح بسیار بالاتر برای مدت طولانی‌تری ثبت کرد.
ردیابی یک جنین تا دو سلول اول آن
محققان با تلاش برای ثبت رشد در ۱۰۰ تخمک بارور شده موش شروع کردند. از این تعداد، ۱۰ جنین در نهایت برای بررسی در دسترس قرار گرفتند.
یک نمونه که به عنوان جنین شماره ۳ شناسایی شد، برجسته بود زیرا سیستم ثبت DNA آن به طور خاص خوب عمل کرده و گسترده‌ترین تاریخچه رشد را حفظ کرده بود. بنابراین دانشمندان تجزیه و تحلیل دقیق خود را بر روی آن جنین متمرکز کردند.
یکی از مهمترین اکتشافات از ثبتی حاصل شد که در همان ابتدای رشد، بلافاصله پس از تقسیم تخمک بارور شده برای اولین بار، انجام شد.
ثبت آنها یک علامت واضح و دائمی را مشخص کرد که دو سلول اول را از هم متمایز کرده و اجازه می‌داد تقریباً هر سلولی را ردیابی کرد که از جنین به یکی از آنها یا دیگری تقسیم می‌کرد. یکی از این دو سلول بنیادی، فرزندان بیشتری نسبت به دیگری تولید کرد، اما انواع سلول‌های متنوع را با نسبت‌های تقریباً مساوی تولید کردند.
این بدان معناست که اگرچه یکی از سلول‌های اصلی در مجموع فرزندان بیشتری تولید کرد، اما هر دو سلول بنیادی ترکیبی بسیار مشابه از انواع سلول‌های تخصصی را ایجاد کردند.
این یافته نشان می‌دهد که چگونه دانشمندان اکنون می‌توانند مراحل اولیه رشد را با سطحی از جزئیات بررسی کنند که قبلاً دستیابی به آن دشوار بود.
دانشمندان کشف می‌کنند که سلول‌ها چه زمانی نقشهای خود را انتخاب می‌کنند
ضبط‌های DNA همچنین اطلاعات مهمی در مورد زمان شروع به انجام نقشهای نهایی سلول‌ها در بدن نشان داد.
سلول‌های جنینی اولیه می‌توانند انواع مختلفی از بافت‌ها را ایجاد کنند. با پیشرفت رشد، فرزندان آنها به تدریج تخصصی‌تر می‌شوند و در نهایت ساختارهایی مانند سیستم عصبی، پوست، خون و چشم‌ها را تشکیل می‌دهند.
با بازسازی شاخه‌های شجره‌نامه سلولی جنین، محققان توانستند تعیین کنند که چه زمانی گروه‌های مختلف سلول‌ها شروع به دنبال کردن مسیرهای رشدی متمایز می‌کنند.
مشاهدات آنها با نتیجه گیری‌های حاصل از دهه‌ها تحقیقات قبلی سازگار بود، اما رویکرد جدید به آنها اجازه داد تا این الگوها را در یک موش در حال رشد بررسی کنند.
محققان توضیح دادند: «سلول‌های خونی و شبکیه نسبتاً زود تشکیل شدند، در حالی که لایه بیرونی پوست تا مدت‌ها بعد به طور قابل توجهی تشکیل نشد. سرنوشت سلول‌ها به طور همزمان مشخص نشد. انواع مختلف سلول‌ها بر اساس برنامه‌های جداگانه خود، برخی زود و برخی دیر، هویت خود را تثبیت کردند.
این یافته‌ها نشان می‌دهد که گذار از یک سلول انعطاف‌پذیر و غیرتخصصی به سلولی با عملکرد بیولوژیکی خاص، در طول جنین به طور همزمان اتفاق نمی‌افتد.
در عوض، بافت‌های مختلف از جدول زمانی رشد خود پیروی می‌کنند. برخی از سلول‌ها از همان ابتدا شروع به محدود کردن آینده‌های احتمالی خود می‌کنند؛ در حالی که برخی دیگر برای مدت طولانی‌تری قبل از اینکه به یک نقش خاص متعهد شوند، انعطاف‌پذیر باقی می‌مانند.
این موضوع چه معنایی می‌تواند برای نقص‌های مادرزادی، سرطان و درمان‌های سلول‌های بنیادی داشته باشد؟
درک دقیق چگونگی کسب هویت سلول‌ها در نهایت می‌تواند پیامدهای مهمی برای پزشکی داشته باشد.
بسیاری از اختلالات رشدی زمانی ایجاد می‌شوند که روند طبیعی تخصص سلولی یا تشکیل بافت مختل شود. سرطان همچنین شامل رفتار غیرطبیعی سلول، از جمله نقص در مکانیسم‌هایی است که معمولاً رشد و تقسیم سلول را تنظیم می‌کنند.
دانشمندان با ردیابی تبار سلولی و شناسایی زمان ظهور مسیرهای مختلف رشدی، ممکن است درک واضح‌تری از چگونگی شروع این مشکلات به دست آورند.
این نوع ثبت رشد در مقیاس بزرگ، نقشهای از چگونگی تبدیل یک سلول به یک بدن کامل را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد که به توضیح چگونگی تشکیل صحیح اندام‌ها، چگونگی اشتباه این فرآیند در نقص‌های مادرزادی و چگونگی هدایت رشد غیرطبیعی سلول به سرطان کمک می‌کند. با پیشرفت مهندسی سلول‌های بنیادی، این نوع ثبت همچنین می‌تواند به راهنمایی در مورد چگونگی مهندسی سلول‌ها برای استفاده درمانی کمک کند.
اگرچه این کار در جنین‌های موش انجام شد و هنوز یک درمان پزشکی مستقیم را نشان نمی‌دهد، اما روشی قدرتمند برای مطالعه تصمیمات بیولوژیکی است که یک ارگانیسم در حال رشد را شکل می‌دهند.
این رویکرد همچنین می‌تواند از تحقیقات آینده در مورد سلول‌های بنیادی، به ویژه تلاش‌ها برای هدایت سلول‌ها به سمت هویت‌های خاص برای پزشکی بازساختی و سایر کاربردهای درمانی، پشتیبانی کند.
این یافته‌ها به تازگی در مجله Science منتشر شده اند.