Как шум экспрессии генов определяет судьбу клетки

Ключевые гены часто экспрессируются с высокой вариабельностью во время развития клеток. Ученые называют это явление «биологическим шумом» и предполагают, что оно также решающим образом влияет на судьбу клеток, то есть на путь развития, который выбирает клетка. Исследователь из Общества Макса Планка Доминик Грюн представляет метод VarID, основанный на данных одноклеточного секвенирования, для количественной оценки этой вариабельности экспрессии генов. Преимущество метода в том, что шум экспрессии генов можно измерить в группах очень похожих или родственных клеточных состояний. Это позволит лучше понять, в какой степени шум регулирует развитие или даже необходим для дифференцировки клеток.

Идентичность клетки

Для изучения молекулярных процессов в клетках ученые используют технологию одноклеточного РНК-секвенирования (scRNA-seq). Она измеряет количество молекул мРНК, производимых активными генами в отдельных клетках. В зависимости от типа и стадии развития клетки активируют разные гены, которые сначала транслируются в молекулы РНК, служащие основой для синтеза белков. Как своего рода отпечаток пальца, количество различных молекул мРНК на ген в конкретной клетке информирует об идентичности клетки и родстве между клетками.

Экспрессия генов — это шум

Ключевые гены, такие как факторы транскрипции, которые определяют, какие гены должны быть включены или выключены, часто слабо экспрессируются при дифференцировке клеток, иногда с высокой вариабельностью в клетках одного типа. Исследователи называют это «биологическим шумом». Соответственно, различия в экспрессии таких генов трудно обнаружить в данных.

VarID количественно оценивает динамику вариабельности экспрессии генов

Новый метод VarID от Доминика Грюна заполняет этот пробел, количественно оценивая шум экспрессии генов в группах очень похожих или родственных клеточных состояний. С помощью этого подхода можно исследовать динамику шума экспрессии генов во время дифференцировки стволовых клеток в зрелые типы клеток и изучить, в какой степени шум регулирует развитие или даже необходим для клеточной дифференцировки.

Ядро метода VarID — это алгоритм, разработанный Домиником Грюном, который количественно оценивает динамику вариабельности экспрессии генов на основе данных scRNA-seq. Таким образом, VarID выделяет области с дифференциальной вариабельностью экспрессии генов, даже в сложных смесях различных типов клеток или клеточных состояний. В частности, этот подход выявляет активность слабых и «шумных» факторов транскрипции, участвующих в переходах между клеточными состояниями.

Шум генов формирует судьбу клетки

Используя метод VarID, автор смог отследить активность ключевых факторов транскрипции во время развития клеток крови у мышей. Данные показывают, что важные факторы транскрипции, которые, как известно, экспрессируются в зрелых клетках крови в костном мозге мыши, слабо экспрессируются — но с высокой вариабельностью — в кроветворных стволовых клетках. Предполагается, что колеблющаяся активность этих генетических сетей — другими словами, шум этих генов — может запускать дифференцировку.

Доминик Грюн убежден, что шум экспрессии генов является решающей частью того, как клетки принимают решения о своем будущем. Метод VarID открывает дверь для изучения роли шума экспрессии генов во время дифференцировки стволовых клеток. Поскольку теперь мы можем «считывать» шум этого процесса, есть надежда понять, как он контролируется, чтобы лучше понять, как шум регулирует решения о клеточной судьбе.