Клітинні атласи пробують межі біології на міцність

Незабаром на карти нашого організму будуть нанесені всі найдрібніші «тропки» і «холміки».

Нір Хакоен (Nir Hacohen), імунолог і генетик з Інституту Броудів (Broad Institute) Массачусетського технологічного інституту (Massachusetts Institute of Technology) і Гарвардського університету (Harvard University), знав, що у біології є проблема. Він хотів зрозуміти роль людської імунної реакції при раку та інших захворюваннях. Але для цього йому спочатку довелося зайнятися більш фундаментальною проблемою: визначення самих типів імунних клітин виявилося недостатнім, неповним і застарілим.

Довше століття розрізнення типів клітин ґрунтувалося на тому, як вони виглядали під мікроскопом: на їхніх формах, розмірах, розташуванні та поглинанні ними барвників для мікроскопії. Однак в останні десятиліття спостерігався перехід до молекулярних методів, в яких використовуються флуоресцентні антитіла для того, щоб мітити білкові маркери на поверхні клітини. Хоча цей підхід дозволив дослідникам виділити більше типів клітин, за словами Хакоена, цього було недостатньо. До 2009 року біологи могли аналізувати клітини тільки великими партіями, усереднюючи сигнали від безлічі з них, щоб отримати картину того, що відбувається в тканині. Коли секвенування РНК з окремих клітин остаточно стало можливим, початкові аналізи були, за словами Хакоена, «упередженими» і «поверхневими», тому що кілька маркерів, використовуваних для класифікації клітин, були занадто нечутливі до нюансивних відмінностей між ними. «Чи охоплює існуюча класифікація всю складність клітини?» - запитував себе Хакоен.

У дослідженні, опублікованому в Science в квітні цього року, він і його команда показали, що, як і очікувалося, велика частина цієї складності була прихована. Аналізуючи закономірність експресії генів в окремих клітинах імунної системи людини, дослідники уточнили визначення типів, відомих як дендритні клітини і моноцити, і ідентифікували новий тип, раніше невідомий. Більш того, вони виявили, що популяція клітин, яка, як вважалося, містить один підтип, насправді представляє суміш двох підтипів, що виконують різні функції.

Робота Хакоена - лише один компонент набагато більш масштабного проекту. У жовтні минулого року міжнародне співтовариство дослідників на чолі з Авівом Регевом (Aviv Regev) з Інституту Броудів і Сарою Тейчманн (Sarah Teichmann) з Інституту Сенгера (Wellcome Trust Sanger Institute) запустило проект Human Cell Atlas («Клітинний лас»). Він покликаний каталогізувати не тільки власне типи клітин, число яких, згідно з прогнозами, значно зашкалює за межі тих 200 типів, про які найчастіше йдеться в підручниках, - але також і ознаки клітинних типів в різних умовах і у людей з різними генетичними та епігенетичними варіаціями. Це знання важливе, тому що воно надасть більш повний огляд динамічної складності життя. Підтипи імунних клітин можуть відрізнятися у різних людей, наприклад, через інфекцію, алергію або аутоімунне захворювання, також вони можуть бути різними у представників різних людських популяцій.

"Це завдання неспівставне з проектом" Геном людини ", - сказав Хакоен. - То була досить добре прописана проблема. Тут проблема набагато складніша і в певному сенсі охоплює неабияку частину біології ".

«Атлас людських клітин» - це лише один з декількох проектів молекулярної і клітинної біології, покликаних синтезувати величезну кількість даних, щоб отримати більш глибоке уявлення про те, наскільки різноманітні клітини в нашому організмі і наскільки складне життя. У 2003 році дослідники Королівського технологічного інституту KTH у Швеції (KTH Royal Institute of Technology, швед. kungliga Tekniska Högskolan) запустили проект «Атлас людських білків», метою якого є всебічна каталогізація експресії, місця розташування і просторового розподілу білків в окремих клітинах. Тільки протягом останніх декількох років члени проекту змогли почати класифікувати, дешифрувати і аналізувати мільйони образів, які вони відобразили на знімках субклітинних структур у різних типах клітин. Щоб досягти цього, їм спочатку довелося провести десятирічну стандартизацію, оптимізацію і розширення своїх дослідницьких процедур, в яких використовувалися таргетні антитіла для фарбування білків, а потім пошук цих маркерів всередині здорових і ракових клітин тканини за допомогою мікроскопії високої роздільної здатності.

У січні 2015 року команда картографувала експресію білка в більш ніж 30 тканинах людини. У травні минулого року вони опублікували другу частину своєї роботи в Science. Звернувши увагу на рівень однієї клітини, вони склали карту понад 12 000 білків в 30 субклітинних структурах, послідовно визначаючи протеоми - повні комплекси експресированих білків - більше десятка великих органелл. Дослідники визначили, які білки були виявлені, вивчили варіації експресії білка від клітини до клітини і проаналізували, як клітини всередині себе сегрегують хімічні реакції.

Одним з найбільш важливих висновків цієї статті, за словами очільниці дослідження Емми Лундберг (Emma Lundberg), було те, що до половини наших білків можна знайти в декількох компартментах клітини. «Все, що роблять білки, є специфічним у контексті їхнього середовища, - розповідає Лундберг. - Якщо один білок присутній в ядрі, але також і в плазматичній мембрані, він може мати різні функції в цих компартментах».

Наприклад, HER2, рецепторний білок, який часто надмірно експресується при певних типах раку молочної залози. При виявленні в мембранах пухлинних клітин HER2 корелює з кращим прогнозом, ніж коли він знаходиться в цитоплазмі або ядрі. "Все більше і більше досліджень окремих білків показують, що це насправді загальне явище, - сказала Лундберг. - Але саме масштаб цього - найцікавіше ".

До 50 відсотків білків, які спостерігала її група, експортувалися в більш ніж одній частині клітини. Якщо ця цифра вказує, наскільки велика мультифункціональність, то, за словами Лундберг, «це робить клітку набагато складнішою, а функціональність протеома - більшою».

Ця гетерогенність передбачає більш глибоке розуміння основ функції білка, але вона також може пояснити, чому, наприклад, деякі ліки призводять до небажаних побічних ефектів.

Інша група вчених, які сподіваються опублікувати свою роботу восени, картографує розподіл білків у клітинних типах насінника з найбільшою кількістю унікально експресованих білок-кодуючих генів. При цьому вони рекласифікують підтипи клітин, що виникають під час сперматогенезу. "Багато що відбувається в цих клітинах до того, як вони стають зрілими, - сказала Сесілія Ліндског Бергстрем (Cecilia Lindskog Bergström) з Уппсальського університету в Швеції (швед. Uppsala universitet), що бере участь у дослідженні. - Білки, які експресують більше на певному підкажетапі розсідів.

Згаданий динамічний спосіб визначення типу клітин - це те, що Хакоен надалі хотів би використовувати у своєму дослідженні клітин крові. В опублікованих у травні висновках команда «Атласу людських білків» навела попередні міркування про те, чому це може бути необхідно. Дослідники помітили, що приблизно 15 відсотків білків варіюють в окремих клітинах: у тканині, яка виглядає поверхнево однорідною, деякі клітини можуть відрізнятися від сусідніх кількістю або просторовим розподілом експресованих ними білків, хоча можна було очікувати, що всі вони однакові. У свою чергу, метод секвенування РНК одиночних клітин, застосований в «Атласі клітин людини», дозволить дослідникам створювати профілі клітин на основі молекул, відмінних від білків.

«Раніше ми зазвичай дивилися на тканину або орган так, як ви дивитеся на смузі», - сказав Барт Депланк (Bart Deplancke), інженер біологічних систем у Федеральній політехнічній школі Лозанни (фр. Polytechnique Fédérale de Lausanne) у Швейцарії. Базуючись на загальному кольорі і смаку, можна припустити, що смузі складається з полуниці і бананів. Але при такому підході легко упустити ключові інгредієнти. Крім того, він спонукує думати, що всі частини готового смузі однакові. Але, але словами Депланка, за допомогою сучасних методів ми можемо зробити зі смузі еквівалент аналізу тканин і сказати: «Я бачу різні шматочки фруктів». Так само ми тепер здатні побачити, як величезне розмаїття типів клітин формує функціональний орган. І так само можна з'ясувати, як повний спектр клітин, пов'язаних з раком та іншими захворюваннями, корелює з прогнозом і одужанням.

Депланк - один з трьох дослідників, які почали роботу над Fly Cell Atlas, мета якого - опис усіх типів клітин плодової мушки дрозофіли (Drosophila). Інститут Аллена (Allen Institute) в Сіетлі працює над аналогічним поясненням мишиного мозку. Обидві ці команди, як і команда «Атласу людських клітин», сподіваються застосувати свої висновки для пояснення поведінки і хвороб людини. У кінцевому рахунку, найскладнішою роботою може виявитися об'єднання величезних наборів даних, створюваних цими різними атласами. Але, як сподіваються дослідники, вона ж буде і найкориснішою, оскільки продуктивно об'єднає структурні, геномні та епігенетичні підходи в рамках нового типу картографічного дослідження.