Publicado o primeiro atlas panorâmico espacial da vida

Cientistas internacionais liderados pela BGI-Research of China lançaram hoje atlas panorâmicos espaciais de última geração da vida que examinam a dinâmica celular de organismos em diferentes estágios de desenvolvimento, potencialmente fornecendo novas informações importantes para o tratamento de doenças, desenvolvimento e envelhecimento e melhorando a compreensão da evolução biológica.

Em uma série de estudos publicados nas revistas da Cell Press, os membros do STOC usaram a tecnologia de transcriptômica resolvida espacialmente Stereo-seq, desenvolvida pela BGI-Research, para gerar mapas de células espaço-temporais de camundongos, pequenas moscas da fruta.Drosophila), o peixe-zebra e o Arabidopsis planta, planta. Os artigos mostram como o Stereo-seq fez um grande avanço na resolução espacial e no campo de visão panorâmico, permitindo a análise da distribuição e colocação de moléculas e células no local, e ao longo do tempo.

O papel, Atlas de transcriptoma espaço-temporal da organogênese de camundongos usando matrizes padronizadas de nanobolas de DNA, é publicado em célula. Os outros três estudos sobre Drosophilapeixe-zebra Arabidopsis são publicados em célula de desenvolvimento. Identificar as propriedades de células específicas dentro de um tecido tem aplicações importantes na compreensão de quais células são causas ou indicadores de doenças, potencialmente levando a ganhos futuros na pesquisa de doenças humanas.

“No passado, eram necessários milhares ou até dezenas de milhares de experimentos para criar um mapa espaço-temporal. Com Stereo-seq, desenvolvido por nossos cientistas, isso agora pode ser alcançado de forma rápida e abrangente com um. Este é um marco no avanço tecnológico das ciências da vida”, disse o Dr. Chen Ao, que liderou o desenvolvimento da tecnologia Stereo-seq na BGI-Research e é o principal autor do artigo do atlas espaço-temporal do mouse.

Mais de 80 cientistas de 16 países, incluindo cientistas da Harvard University, Oxford University, Massachusetts Institute of Technology, University of Cambridge, Karolinska Institutet, University of Western Australia, Genome Institute of Singapore e BGI, colaboraram até agora com parte do STOC, um Consórcio aberto de colaboração científica focado no uso de tecnologias ômicas espacialmente resolvidas em resolução celular para mapear e entender a vida.

A tecnologia de transcriptômica espacial é uma tecnologia emergente que resolve problemas anteriores na identificação de propriedades de células individuais em um tecido biológico. Ele se baseia nas conquistas do sequenciamento de célula única e o leva ao próximo nível, permitindo que os cientistas rastreiem a localização exata de uma célula e como ela interage com seus vizinhos.

Para conseguir isso, a tecnologia patenteada de sequenciamento nanoball de DNA da BGI, que amplifica pequenos fragmentos de DNA em amostras maiores, foi combinada com seu no local Tecnologia de captura de RNA para criar Stereo-seq (SpaTial Enhanced REsolution Omics-Sequencing) capaz de atingir uma resolução subcelular de 500 nanômetros (equivalente a 0,0000005 metros) combinada com um campo de visão panorâmico em nível de centímetro .

“O desenvolvimento da abordagem analítica de célula única nos últimos vinte anos realmente fez uma diferença notável em nossa capacidade de entender como as células diferem umas das outras. Recentemente, tornou-se possível combinar essa análise com onde as células estão localizadas em um tecido ou seção de tecido organoide”, disse Patrick Maxwell, Professor Regius de Física e diretor da Escola de Medicina Clínica em Cambridge e co-autor do Mouse Spatiotemporal papel Atlas. “Na minha opinião, este novo artigo leva isso a um novo nível, combinando um campo de visão de tamanho considerável, permitindo a análise de um tecido na escala de um embrião de camundongo em desenvolvimento, juntamente com uma resolução muito alta com um transcriptoma muito profundo profundidade de leitura.” .”

“Isso permite que nós e os usuários desses dados, que estarão disponíveis gratuitamente, realmente entendam algumas questões muito intrigantes sobre como funciona o desenvolvimento dos mamíferos e como os tecidos são organizados”. Isso nos dará insights sobre processos de desenvolvimento, funções normais dos tecidos e também doenças”, acrescentou.

Se compararmos o estudo das células com o estudo dos ecossistemas, as tecnologias anteriores permitiram aos cientistas entender quais animais ou plantas vivem na Terra. Stereo-seq permite que os cientistas entendam a qual país, território, habitat, comunidade qualquer animal ou planta pertence. Ao mesmo tempo, os cientistas também podem entender o que cada animal faz, seu passado, história familiar, interação com outros rebanhos e como ele pode se reproduzir e se desenvolver.

Os cientistas usaram Stereo-seq para estudar o desenvolvimento embrionário inicial em camundongos, especificamente de 9,5 a 16,5 dias, quando o desenvolvimento embrionário ocorre em ritmo acelerado. Stereo-seq gerou o Mouse Organogenesis Spatiotemporal Transcriptomy Atlas (MOSTA), que mapeia a cinética e a direção da variação transcricional durante a organogênese do camundongo com resolução de célula única e alta sensibilidade.

“Stereo-seq é um avanço revolucionário na tecnologia de transcriptômica espacial e é a tecnologia mais poderosa neste campo das ciências da vida hoje”, disse o Dr. Liu Longqi da BGI Research, um dos autores correspondentes das publicações. “Agora temos tecnologia para mapear um atlas panorâmico de cada célula de um organismo de acordo com seus perfis biomoleculares individuais no espaço e no tempo. Demonstramos sua robustez e mapeamos com sucesso a fisiologia molecular animal e vegetal em uma escala e resolução nunca antes possíveis.”

Pela primeira vez, os cientistas conseguiram criar uma série de mapas de alta resolução mostrando a localização exata de aproximadamente 300.000 células do embrião do dia 16,5. A BGI-Research usou essas informações para criar um atlas panorâmico de camundongos e obter informações sobre a base molecular da variação e diferenciação celular nos tecidos em desenvolvimento do cérebro, incluindo o mesencéfalo dorsal.

“A aplicação bem-sucedida de nossa tecnologia Stereo-seq ao desenvolvimento tem implicações significativas para o futuro da pesquisa genômica de doenças humanas”, disse o coautor Dr. Xu Xun, Diretor de Pesquisa BGI. “Demonstrar que esta tecnologia pode localizar células específicas que são indicativas de doenças futuras será crucial para o diagnóstico e terapia de uma série de doenças.”

Por exemplo, a síndrome de Robinow é um defeito de nascença comum. Um gene relacionado foi encontrado clinicamente, mas como esse gene causa defeitos como lábio leporino e fenda palatina e membros curtos é desconhecido. Os pesquisadores mapearam o gene associado à fissura labial e palatina durante o desenvolvimento embrionário de camundongos e descobriram que o gene estava presente nos lábios e dedos dos pés do camundongo e tinha alta expressão. Isso mostrou que o gene é muito importante no desenvolvimento de lábios e dedos dos pés em camundongos. Se este gene for mutado, o desenvolvimento dos lábios e dedos dos pés será anormal. Esse conhecimento potencialmente ajudará os pesquisadores que estudam os defeitos congênitos da síndrome de Robinow em humanos.

A equipe liderada pela BGI realizou pesquisas embrionárias semelhantes usando o peixe-zebra, que tem um período de gestação de apenas 24 horas, e também criou um modelo 3D do mapa celular da pequena mosca da fruta. Drosophila. Os transcriptomas espaço-temporais do desenvolvimento embrionário em DrosophilaZebrafish and mouse abriu novas portas para estudar padrões embrionários e mecanismos moleculares relacionados durante o desenvolvimento embrionário, fornecendo importantes referências de dados para trabalhos futuros e uma referência para desvendar a evolução embrionária.

Ao aplicar a pesquisa estéreo-seq às células foliares do Arabidopsis Plant, os pesquisadores conseguiram superar a dificuldade de longa data para os pesquisadores realizarem estudos ômicos de célula única espacialmente resolvidos em folhas e outros tecidos vegetais. A BGI Research foi capaz de mostrar que a tecnologia Stereo-seq pode ser usada na pesquisa em ciência de plantas e na pesquisa de melhoramento de plantas. Algumas aplicações-chave incluem a compreensão dos principais genes envolvidos no desenvolvimento de sementes, mecanismos por trás da resistência à seca, mecanismos por trás da resistência ao calor e mecanismos por trás da tolerância ao sal para culturas básicas que variam de arroz a trigo e milho. Isso pode ajudar a cultivar cepas de plantas resistentes ao estresse e de alta qualidade que são importantes para muitas iniciativas globais de sustentabilidade.

Os estudos receberam todas as aprovações éticas necessárias antes de serem conduzidos.

Referência: Chen A, Liao S, Cheng M et al. Atlas de transcriptoma espaço-temporal da organogênese de camundongos usando uma matriz de padrões de nanobolas de DNA. célula. 2021 doi: 10.1101/2021.01.17.427004

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