Секретные фенотипы: Невидимые детали болезней
Когда у микроскопического лабораторного червя появляется бросающаяся в глаза аномалия, учёные находят вызвавший её мутировавший ген. Однако более важные, имеющие медицинское значение открытия могут скрываться в признаках, невидимых глазу даже в лучший микроскоп.
Исследователи из Технологического института Джорджии выявляют эти секреты — микронные бугорки и бороздки — и сложную сеть генетических мутаций, возможно, стоящих за ними. Их работа может оказаться полезной для понимания изнурительных расстройств.
«Когда эти слабые мутации объединяются, это даёт гигантский скачок в риске заболевания», — говорит Ханг Лу, профессор, применяющий инженерию и науку о данных в неврологии.
Неврологические расстройства: мозг часто выглядит нормально
Мозг людей с шизофренией, биполярным расстройством или аутизмом не выглядит физически сильно отличным от здорового. Исследователи под руководством Лу разработали методы выявления ранее невидимых неврологических нюансов и сложных мутаций, которые могут быть их причиной. Их выводы также могут быть применены в вычислительной генетике для изучения других заболеваний, например, аутоиммунных.
Лу и бывший исследователь Джорджии Эдрианна Сан-Мигель опубликовали свои последние результаты 23 ноября 2016 года в журнале Nature Communications. Исследование финансировалось Национальным институтом общей медицины и Национальным институтом по проблемам старения (агентства NIH).
Точки-индикаторы: компьютер видит тонкости
Лу заменил подверженный ошибкам человеческий глаз на компьютер, чтобы выявить самые слабые фенотипы (физические признаки, основанные на генах). В эксперименте нервные белки были помечены так, чтобы выглядеть как точки на брюшной стороне круглых червей Caenorhabditis elegans для сканирования компьютером.
При мутациях точки могут меняться крайне незначительно. «Для невооружённого глаза это просто точки на тёмном фоне», — говорит Лу. Но компьютер видит в них фенотипические сдвиги. C. elegans помогает понять процессы у людей из-за сходства нервной системы.
Синаптические пункты: светящиеся зелёные метки
Учёные сосредоточились на синапсах одного нейрона, где он соединяется с мышцами. Эти «синаптические пункты» были помечены светящимся зелёным белком, образуя точки.
Некоторые мутации действительно вызывали большие изменения в положении и размере точек, заметные глазу. Однако естественные ограничения человеческого восприятия создали предвзятость, которую исследование Лу стремится устранить.
Предвзятость в отборе мутантов: «выглядит странно»
Традиционный метод отбора мутантов под микроскопом с помощью платиновой проволоки утомителен. Усталость в сочетании с ограниченными возможностями глаза заставляет исследователей отбирать червей с явными аномалиями. Яркие фенотипы с высокой вероятностью вызваны мутациями, что ведёт к успешному результату.
В результате можно упустить тонкие образцы. Кроме того, один странно выглядящий червь может вообще не быть мутантом. «Вы всегда можете найти "дикий тип" (в основном нормальный червь), который совсем не похож на дикий тип», — отмечает Лу. Причина — стохастичность (случайность) природы, которая может «испортить» отдельного червя даже без мутировавшего гена.
Фенопространство: открытый мир
Внешность может обмануть глаз, но вряд ли — высокоразрешающую камеру, подключённую к компьютеру с алгоритмом, статистически анализирующим слабые вариации для сортировки мутантов.
Метод Лу использует прозрачный слайд с микротрубками, которые засасывают по одному червю под микроскоп компьютера. «Затем мы замораживаем червя на мгновение, чтобы сделать снимок. Потом он размораживается, и с ним всё в порядке», — объясняет он.
В трубке есть развилка. Если алгоритм обнаруживает мутанта по паттерну синаптических пунктов на изображении (даже если это не видно глазу), червь отправляется по первому пути для дальнейшего изучения. Если нет — по второму.
В эксперименте алгоритм анализировал фенотипические вариации синаптических пунктов у больших популяций червей. Параллельно анализировались геномы, чтобы определить, какие фенотипические различия могут быть связаны с мутациями. Затем исследователи сопоставили генотипы с лежащими в их основе различиями в фенотипах. То, что раньше было настолько тонким, что было практически невидимо, оказалось большой ажурной сетью.
Скрытое расстройство: бедный червячок
Учёные наткнулись на очень тонкий аллель (вариант гена, вызванный мутацией). Черви, у которых он был, были настоящими мутантами, но никто бы не догадался, так как на вид они были совершенно нормальными. Они даже вели себя нормально на первый взгляд, и исследователи подумали, что компьютер ошибся, — пока не обнаружилась проблема.
«После того как они плавали около 40 минут, они становились очень-очень слабыми и не могли больше хорошо плавать», — говорит Лу. Аллель, по-видимому, был связан с каким-то неврологическим расстройством.
«Как метафора, это пример того, как можно идентифицировать нечто, имеющее отношение к болезни, но невероятно тонкое, и вы никогда не нашли бы это с помощью глаз и микроскопа», — заключает она.