Масштабный атлас клеток человека выявляет типы клеток, связанные с болезнями

Генетические исследования выявили множество генов, связанных как с распространенными, так и с редкими заболеваниями. Чтобы понять механизмы развития болезней и разработать терапии, ученым необходимо знать, где в организме эти гены активны. Исследования на уровне отдельных клеток помогают в этом, анализируя активность генов в конкретных типах клеток. Однако для изучения всего спектра заболеваний необходимо профилировать все типы клеток и сравнивать их между разными органами, что сложно сделать существующими методами.

Исследователи из Broad Institute of MIT и Harvard разработали надежный экспериментальный конвейер, способный профилировать гораздо больше типов клеток из большего числа тканей, чем другие техники, а также методы машинного обучения для объединения этих данных и работы с полученной картой (атласом). Команда использовала его, чтобы определить конкретные типы клеток из различных тканей, вовлеченные в развитие множества заболеваний. Этот подход позволит проводить другие масштабные исследования разнообразных типов клеток и сравнивать их между тканями, включая анализ клеток из замороженных образцов, которые можно собрать от многих пациентов. Это открывает доступ к огромному количеству образцов, хранящихся в научных коллекциях по всему миру, для такого одно-клеточного анализа и приближает ученых к созданию полного атласа клеток человека.

Предыдущие одно-клеточные исследования в основном фокусировались на одном типе ткани. Используя новый конвейер, команда построила масштабный атлас из сотен тысяч клеток из множества тканей тела. Это позволило обнаружить неожиданные новые функции и программы экспрессии генов для нескольких типов клеток, например, экспрессию программ мышечных клеток в клетках соединительной ткани легких. Результаты также выявили генетическое сходство клеток из разных тканей и впервые связали определенные типы клеток с конкретными заболеваниями.

Этот атлас стал первым межтканевым атласом, основанным на измерениях активности генов в отдельных клеточных ядрах. Такой подход позволил охватить большее разнообразие типов клеток по сравнению с методами, измеряющими экспрессию генов из целой клетки.

Исследователи открыто предоставили атлас научному сообществу через портал GTEx и Broad's Single-Cell Portal. Работа является частью международного консорциума Human Cell Atlas (HCA), целью которого является создание карты каждого типа клеток в теле человека.

Новый подход и ключевые результаты

Ученые разработали новый масштабный конвейер для секвенирования отдельных ядер (single-nucleus sequencing). Они оптимизировали четыре различных протокола и использовали их для анализа 200 000 клеток из замороженных образцов 8 типов тканей, первоначально собранных проектом GTEx. Модель на основе глубокого обучения показала, что их конвейер работает так же хорошо, как и стандартные методы для измерения РНК в отдельных клетках, при этом захватывая типы клеток, недоступные для одно-клеточных методов.

Созданная межтканевая молекулярная карта выявила важные данные о типах клеток в различных тканях. Например:

• Во всех тканях команда наблюдала две популяции иммунных клеток — макрофагов: одна выполняет иммунную роль, а другая поддерживает функцию ткани. Разные пропорции этих популяций в разных тканях помогают понять, как ткани поддерживают гомеостаз.
• В легких были обнаружены фибробласты (клетки соединительной ткани), экспрессирующие генетические программы, обычно связанные с функцией мышечных клеток, что указывает на их ранее неизвестную роль.

Для демонстрации полезности атласа в изучении болезней команда сопоставила известные 6000 генов, лежащих в основе менделевских (моногенных) заболеваний, с данными атласа. Это позволило идентифицировать новые типы клеток, которые могут быть вовлечены в болезнь, например, немышечные типы клеток, которые могут играть роль в мышечной дистрофии. Атлас также помогает предложить известные и новые типы клеток, влияющие на распространенные заболевания (болезни сердца, воспалительные заболевания кишечника), путем сравнения генов, обогащенных в конкретных типах клеток, с генами, выявленными в полногеномных ассоциативных исследованиях (GWAS).

Такой подход закладывает основу для исследований большего масштаба с участием сотен людей разного происхождения, чтобы глубже изучить гены и клетки, лежащие в основе как редких, так и распространенных заболеваний.