Chinesische Wissenschaftler haben einen umfassenden 3D-spatiotemporalen Multi-Omics-Atlas einzelner Zellen über den gesamten Entwicklungszyklus von Drosophila erstellt, der bedeutende molekulare Einblicke in die biologische Entwicklung bietet.

Dieser Durchbruch wird voraussichtlich die Forschung zu Entwicklungsdefekten und den damit verbundenen Krankheitsmechanismen erheblich vorantreiben. Die Studie, die in der Fachzeitschrift Cell veröffentlicht wurde, stellt eine Zusammenarbeit zwischen BGI Research mit Sitz in Hangzhou und der Southern University of Science and Technology in Shenzhen dar.

Die Wissenschaftler beschreiben die Entwicklung von Tieren als einen komplexen, orchestrierten Prozess, bei dem Gene und Zellen präzise zusammenarbeiten. Die Untersuchung verwendet Fruchtfliegen als Modellsystem und stellt fest, dass ihr Entwicklungszyklus eindeutig in vier Phasen unterteilt werden kann: Ei, Larve, Puppe und erwachsene Fliege.

Der gesamte Entwicklungsprozess wird interessant als eine sorgfältig inszenierte 'lebende Theaterproduktion' beschrieben, in der die zeitlichen Abläufe, die räumliche Anordnung jeder Zelle und die darauffolgende Transformation in spezialisierte Zelltypen durch genetische 'Drehbücher' koordiniert gesteuert werden.

Das Forschungsteam nutzte selbstentwickelte Technologien von BGI, um intensive Probenahmen von Fruchtfliegenembryonen in Intervallen von 30 Minuten bis zwei Stunden sowie systematische Probenahmen von larvalen und pupalen Stadien zu bedeutenden Entwicklungszeitpunkten durchzuführen.

Durch diese Strategie wurde ein umfangreicher Datensatz mit über 3,8 Millionen räumlich aufgelösten Einzelzell-Transkriptomen generiert, der den gesamten Lebenszyklus abdeckt und wertvolle Informationen bereitstellt.

Mit Hilfe von Spateo, einem algorithmischen Werkzeug zur Analyse spatiotemporaler Daten, rekonstruierte das Team ein hochauflösendes 3D-Modell, das die räumlichen Dynamiken der Gewebemorphologie und der Genexpression präzise abbildete.

Durch die Integration dieser Daten konnten die Forscher eine Differenzierungstrajektoriemap erstellen, die grundlegende molekulare Mechanismen aufdeckt, die die Schicksalsentscheidungen von Zellen steuern.

Laut Wang Mingyue, einem Mitautor der Studie, folgen Zellen aus verschiedenen Keimblättern unterschiedlichen Differenzierungswegen. Transkriptionsfaktoren fungieren dabei als 'zelluläre Regisseure', die verantwortlich sind für die Aktivierung oder Unterdrückung von Genen, wodurch den Zellen spezifische Rollen zugewiesen werden.

Wang hebt hervor, dass mehrere neu identifizierte Transkriptionsfaktoren entdeckt wurden, die möglicherweise eine entscheidende Rolle in der Entwicklung des Nervensystems, des Magen-Darm-Trakts sowie des endokrinen Systems spielen.

Da etwa 70 Prozent der menschlichen krankheitsbezogenen Gene Entsprechungen in Fruchtfliegen haben, bietet diese Untersuchung eine wertvolle Basis für das Verständnis menschlicher Entwicklungsstörungen und eröffnet neue Perspektiven für die biomedizinische Forschung.

(Cover: Eine Obstfliege. /VCG)