Прорыв в одноклеточном анализе: Drop-Seq и Seurat открывают путь к трансляционным исследованиям
Генетика научилась находить генетические варианты, связанные с болезнями. Следующая важная задача — перейти от генетических результатов к биологическому пониманию заболевания. Ключ к этому — анализ роли отдельных клеток в здоровье и болезни.
Новые достижения в одноклеточных технологиях и вычислительном анализе от исследователей Broad Institute позволяют проводить исследования в масштабе, с простотой и доступностью, невозможными ранее.
Технология Drop-Seq: масштабный и дешёвый анализ
Исследователи, включая Стива МакКэрролла и Авива Регева, разработали подход Drop-Seq. В нём тысячи отдельных клеток из тканей смешиваются с микрочастицами, несущими ДНК-штрихкод, в нанолитровых каплях. В капле клетка разрушается, и её матричная РНК (mRNA) захватывается на микрочастице, образуя STAMP (Single-cell Transcriptomes Attached to MicroParticles). Затем mRNA извлекается, преобразуется в ДНК, амплифицируется и секвенируется. Тысячи STAMP (соответствующих тысячам клеток) можно секвенировать в одной реакции, используя штрихкод для определения происхождения каждого транскрипта.
Преимущества Drop-Seq:
- Высокая пропускная способность: Анализ более 45 000 клеток сетчатки мыши позволил идентифицировать 39 типов клеток, включая несколько потенциально новых.
- Низкая стоимость: Снижает стоимость анализа до ~6 центов на клетку — в 500 раз дешевле предыдущих методов.
- Минимизация загрязнения: Все ключевые этапы происходят внутри изолированных капель.
Вычислительный метод Seurat: восстановление пространственной информации
Потеря пространственной информации о местоположении клетки в ткани — вызов для методов вроде Drop-Seq. Команда, включая Рахула Сатджу, разработала вычислительный метод Seurat.
Он использует машинное обучение для интеграции данных одноклеточного РНК-секвенирования с паттернами RNA in situ hybridization в тканях, чтобы восстановить карту пространственного расположения клеток. Метод был успешно применён для картирования паттернов экспрессии генов в эмбрионах zebrafish на основе транскриптомов более 800 клеток и пригоден для других систем, включая образцы человеческих тканей.
Применение в трансляционных исследованиях
Онкология: Работа институтского члена Леви Гаррауэя и Klarman Cell Observatory показывает, что одноклеточный анализ может раскрыть важную информацию о гетерогенности опухоли и факторах, определяющих ответ на терапию. Это может дать ключи к молекулярным путям, вовлечённым в ответ опухоли, и помочь предсказать развитие резистентности.
Микробная геномика: Одноклеточный анализ критически важен для понимания разнообразия микробиома и его влияния на здоровье, а также для поиска новых антибиотиков и генов устойчивости к ним.
Будущее: «Атлас клеток человека»
Благодаря этим достижениям масштаб одноклеточного анализа в Broad Institute вырос с 18 клеток в 2012 году до десятков тысяч сегодня. Это открывает эру «количественной биомедицины».
Теперь в пределах досягаемости создание «Атласа клеток человека» — беспристрастного каталога каждого типа клеток в организме на основе её состояния, окружения, линии и истории. Для этого потребуется партнёрство в области биологии, технологий и медицины, способное трансформировать наше понимание и лечение болезней.