Снимок экспрессии стволовых клеток
Исследователи из кампуса Wellcome Genome Campus выявили новые гены, участвующие в плюрипотентности стволовых клеток, новые субпопуляции клеток и новые методы анализа данных. Результаты, опубликованные в Cell Stem Cell, важны для изучения раннего развития.
Столовые клетки пребывают в «основном» состоянии, прежде чем что-то запускает их развитие в функциональные клетки, такие как клетки печени, сердца или крови. Ключевую роль в этом изменении играет то, как, когда и в каком порядке гены внутри клетки экспрессируются (включаются и выключаются). Характеристика экспрессии генов в стволовых клетках необходима для понимания фундаментальной биологии здоровья и болезней, а также для выявления генетических факторов, влияющих на индивидуальный ответ на лекарства.
Исследователи из Wellcome Trust Sanger Institute и Европейского института биоинформатики EMBL (EMBL-EBI) использовали технологию single-cell RNA sequencing для изучения экспрессии тысяч генов примерно в 700 эмбриональных стволовых клетках мыши (mESCs). Они обнаружили характерный «микс экспрессии генов», который определяет разные популяции клеток и длительность их клеточного цикла. Иными словами, неоднородность экспрессии генов между клетками лежит в основе их поведения.
«Вы можете сделать снимок этого очень динамичного процесса экспрессии генов и извлечь из него много информации. Это как сфотографировать толпу на Таймс-сквер в канун Нового года с высоты, отсортировать людей по возрасту, чтобы понять их жизненный цикл, или сгруппировать по стилю одежды, чтобы предположить, на какую вечеринку они пойдут дальше», — объясняет Ола Колодзейчик из EMBL-EBI и Sanger Institute.
Метод single-cell RNA sequencing позволяет увидеть, что заставляет клетки принимать разные формы, предсказать их поведение и изучить факторы, определяющие их судьбу. В этом исследовании команда разработала новые подходы для характеристики вариаций уровней экспрессии генов от клетки к клетке в трёх разных состояниях.
«Одно из самых захватывающих открытий — мы идентифицировали новые гены, вовлечённые в регуляторную сеть стволовых клеток, и подтвердили находки с помощью технологии CRISPR. Это приближает нас к пониманию структуры всей сети, что, в свою очередь, даёт представление о том, что удерживает стволовые клетки в основном состоянии и что запускает их изменение», — говорит Джон Кён Ким из EMBL-EBI.
Анализируя «шумный» микс экспрессии генов клетка за клеткой, исследователи обнаружили редкую субпопуляцию клеток, экспрессирующую несколько маркерных генов, которые также активны в клетках эмбриона на двухклеточной стадии (обладающих тотипотентностью — способностью развиться в любой тип клеток). Хотя редкие mESCs, выявленные в этом исследовании, разделяют лишь некоторые молекулярные черты двухклеточной системы, они станут ценным ресурсом для изучения раннего развития.
«Наше исследование демонстрирует мощь single-cell транскриптомики, показывая, как она может выявить биологически значимую неоднородность экспрессии, которая часто скрыта традиционными методами. Это добавляет совершенно новое измерение в поиск взаимосвязей между культивируемыми клетками и естественным развитием, что вносит большой вклад в геномные исследования», — говорит Сара Тайхманн, руководитель групп в EMBL-EBI и Sanger Institute.