Учёные восстановили подробную историю развития мышиного эмбриона, проследив происхождение его клеток вплоть до самого первого деления оплодотворённой яйцеклетки. Благодаря новой технологии записи информации непосредственно в ДНК исследователи смогли выяснить, как две первоначальные клетки дали начало многочисленным клеточным линиям, из которых впоследствии сформировались различные органы и ткани.
Наблюдение охватило первые 13,5 суток эмбрионального развития. Для сравнения, полная беременность у мышей продолжается от 19 до 21 дня. Полученные данные позволили с необычайной подробностью изучить, как постепенно возникает сложное тело млекопитающего.
Результаты исследования, опубликованные 8 октября 2026 года в журнале Science, могут помочь учёным лучше понять не только нормальное развитие организма, но и причины нарушений, возникающих на его ранних этапах.
Работу возглавили профессор геномных наук Вашингтонского университета Джей Шендьюр и молекулярный биолог Чэнсян Цю из Дартмутского колледжа. По словам Шендьюра, исследователей особенно интересовало, насколько происхождение клетки на ранних стадиях эмбрионального развития определяет её дальнейшую судьбу.
Изучение таких родственных связей может в будущем расширить знания о врождённых пороках развития, нарушениях формирования нервной системы, генетических заболеваниях и раке.
Главным инструментом исследователей стала технология под названием «ДНК-пишущая машинка», разработанная Шендьюром совместно с Цзюньхуном Чоем, который сейчас работает в онкологическом центре имени Слоуна — Кеттеринга.
В отличие от обычных методов наблюдения за делящимися клетками, эта система сохраняет информацию об их истории непосредственно в генетическом материале. По сути, каждая клетка получает собственный биологический журнал, записи в котором позволяют восстановить её происхождение.
Для этого учёные встроили в геном оплодотворённой мышиной яйцеклетки специальную последовательность ДНК, которую назвали записывающей лентой. По мере развития эмбриона система оставляла на ней новые отметки, фиксируя последовательность клеточных делений.
Принцип работы исследователи сравнивают с обычной пишущей машинкой. Только вместо бумаги она использует ДНК самой клетки.
Как объяснил один из ведущих авторов работы Хэдон Ким, при каждом делении клетки система добавляет новый символ на следующее свободное место. Записи всегда появляются в строгой последовательности и не заменяют уже существующую информацию.
Благодаря этому порядок символов отражает историю клеточных делений. Когда одна клетка превращается в две дочерние, обе наследуют накопленные записи. В дальнейшем каждая из них продолжает вести собственную историю.
Сравнивая такие последовательности, учёные могут определить, какие клетки произошли от общего предка, и восстановить разветвлённое генеалогическое дерево всего эмбриона.
Однако записать информацию оказалось лишь половиной задачи. Не менее важно было научиться надёжно извлекать её из отдельных клеток. Поэтому исследователи усовершенствовали конструкцию записывающей последовательности, сделав сохранённые данные более доступными для последующего анализа.
Восстановление полной истории развития млекопитающего долгое время оставалось чрезвычайно сложной задачей. По мере роста эмбриона количество клеток быстро увеличивается, они многократно делятся и постепенно приобретают специализированные функции. Чем сложнее становится организм, тем труднее определить родственные связи между его клетками.
Несколько десятилетий назад учёным удалось проделать нечто похожее с крошечным круглым червём. Однако его организм устроен значительно проще, содержит гораздо меньше клеток, а прозрачность тела облегчает наблюдение за развитием.
У млекопитающих ситуация намного сложнее. Предыдущие технологии позволяли получать важные сведения о развитии мышиных эмбрионов, но обычно охватывали лишь отдельные участки общего клеточного дерева.
Кроме того, традиционные способы генетической записи имели серьёзные недостатки. Некоторые из них создают опознавательные отметки путём разрезания ДНК, что может повреждать клетки и уничтожать информацию, оставленную на более ранних этапах развития.
Объём доступной записи также ограничен, а поскольку отметки не всегда появляются в определённом порядке, последовательность событий приходится восстанавливать дополнительно.
Новая технология позволяет обойти эти проблемы. Она не требует полного разрыва ДНК, сравнительно равномерно записывает информацию и сохраняет строгий порядок отметок. Благодаря этому историю клеточных линий можно прослеживать значительно дольше и с более высоким разрешением.
Исследователи начали эксперимент со 100 оплодотворённых мышиных яйцеклеток. В конечном итоге для изучения оказались доступны 10 эмбрионов.
Особое внимание привлёк образец под номером три. В нём система записи работала наиболее успешно и сохранила самую полную историю развития. Именно этот эмбрион стал основным объектом подробного анализа.
Одно из важнейших наблюдений было сделано благодаря отметке, появившейся практически в самом начале развития — сразу после первого деления оплодотворённой яйцеклетки.
Эта запись позволила чётко различить две первоначальные клетки и проследить происхождение почти каждой исследованной клетки эмбриона до одной из них.
Выяснилась интересная особенность: одна из двух исходных клеток оставила больше потомков, чем другая. Однако соотношение различных специализированных типов клеток, возникших из каждой первоначальной линии, оказалось практически одинаковым.
Иными словами, несмотря на различия в общем количестве потомков, обе клетки внесли удивительно похожий вклад в разнообразие тканей будущего организма.
Но восстановление клеточной родословной позволило сделать ещё одно важное открытие — выяснить, когда именно клетки начинают определяться со своей будущей специализацией.
На самых ранних этапах развития клетки эмбриона способны давать начало множеству различных тканей. Однако постепенно возможности их дальнейшего превращения сужаются. Одни клетки становятся предшественниками нервной ткани, другие участвуют в формировании кожи, крови или глаз.
Сравнив разные ветви клеточного дерева, исследователи смогли определить, на каких этапах группы клеток начинали двигаться по собственным путям развития.
Оказалось, что клетки разных тканей принимают свою окончательную роль далеко не одновременно.
Например, клетки крови и сетчатки глаза определялись со своей специализацией относительно рано. А клетки наружного слоя кожи сохраняли возможность дальнейшего выбора заметно дольше.
Это означает, что превращение универсальных эмбриональных клеток в специализированные не происходит по единому расписанию. У каждой ткани существует собственная последовательность развития: одни клетки рано ограничивают свои возможные пути, другие остаются менее специализированными значительно дольше.
Полученные результаты согласуются с выводами, сделанными за десятилетия предыдущих исследований. Однако новая технология впервые позволила настолько подробно рассмотреть эти закономерности в пределах одного развивающегося мышиного эмбриона.
Подобные данные могут иметь большое значение для медицины. Многие врождённые нарушения возникают, когда процесс специализации клеток или формирования тканей отклоняется от нормального развития. Понимание того, в какой момент клетки выбирают определённый путь, поможет исследователям точнее изучать происхождение таких отклонений.
Эта технология также представляет интерес для изучения онкологических заболеваний. Развитие рака связано с аномальным поведением клеток, включая нарушения механизмов, контролирующих их рост и деление. Восстановление клеточных родословных может помочь выяснять, как возникают подобные изменения.
Ещё одним перспективным направлением является работа со стволовыми клетками.
Учёные стремятся научиться управлять их превращением в определённые типы клеток для медицинского применения. Подробная карта естественного развития тканей способна подсказать, как направлять такие процессы при создании клеток для будущих методов лечения и регенеративной медицины.
Исследователи подчёркивают, что новая система пока не представляет собой лечебную технологию. Все эксперименты проводились на мышиных эмбрионах, а её непосредственное применение в медицине остаётся делом будущего.
Тем не менее работа демонстрирует принципиально новый уровень возможностей для изучения развития живых организмов. Теперь учёные могут не просто наблюдать, какие клетки присутствуют в эмбрионе на определённом этапе, но и восстанавливать историю их происхождения, начиная с первых делений оплодотворённой яйцеклетки.
Фактически ДНК превращается в своеобразный архив, который сохраняет историю формирования организма внутри его собственных клеток. Читая эти записи, исследователи получают возможность проследить, как из единственной клетки постепенно возникает сложное тело с различными органами и тканями.
