Атлас червя: профили экспрессии генов в каждом типе клеток организма

Круглый червь стал первым животным, для которого составлен полный атлас экспрессии генов во всех типах клеток. «Снимок» активности генов на определённой стадии жизни червя показывает, какие гены включены или выключены в каждой клетке.

Почти все клетки организма содержат одинаковый набор генов, определённый в момент оплодотворения. В процессе делений клетки дифференцируются, образуя различные типы.

Каждый тип клеток имеет свой уникальный паттерн активации частей генетического кода. Эти паттерны «включения/выключения» генов во многом определяют разнообразие форм, свойств и функций специализированных клеток.

Исследователи из UW Medicine разработали стратегии для мечения и индексирования большого количества отдельных клеток и молекул, чтобы измерить молекулярное состояние каждого типа клеток круглого червя Caenorhabditis elegans.

Учёные пометили полные транскриптомы множества клеток или их ядер. Транскриптом — совокупность РНК-копий (транскриптов) с участков ДНК, которые копируются клеткой. Эти транскрипты становятся инструкциями для производства белков.

Метод применили к личиночной стадии нематоды C. elegans. Этот червь — единственный многоклеточный организм, для которого полностью описаны все клетки, их типы и вся линия развития. Личинка имеет ровно 762 клетки (без учёта репродуктивных).

«Теперь мы можем экспериментально изучать активность генов для десятков тысяч клеток за раз», — сказал соавтор работы Коул Трапнелл.

Исследователи впервые измерили активность всех генов во всех клетках целого животного в одном эксперименте.

«Мы надеемся, что этот ресурс ускорит усилия биологов по открытию новых принципов формирования и развития животных, а работа с червём станет ступенью к лучшему пониманию развития человека», — отметил Трапнелл.

Исследование также показало высокую специализацию нейронов: некоторые редкие типы нервных клеток были представлены всего одной или двумя клетками в черве.

Метод sci-RNA-seq (single-cell combinatorial indexing RNA sequencing) позволяет быстро создавать библиотеки транскриптомов десятков тысяч отдельных клеток. Один человек может выполнить такую работу за два дня, а стоимость составляет от 3 до 20 центов на клетку.

Гипотетически, в одном эксперименте можно профилировать транскриптомы более 10 миллионов клеток.

Учёные рассматривают свои данные как отправную точку для атласа, который дополнит отмеченную Нобелевской премией карту клеточной линии C. elegans Джона Салстона и покажет молекулярное состояние каждой клетки на протяжении жизненного цикла нематоды.

Исходные данные доступны в Gene Expression Omnibus, а примеры работы с ними — через Jupyter Notebook.

Исследование опубликовано в журнале Science.