Сопоставление экспрессии генов с производством метаболитов в отдельных клетках растений
Исследователи из Института химической экологии Общества Макса Планка успешно совместили секвенирование РНК отдельных клеток (scRNA-seq) и масс-спектрометрический анализ отдельных клеток (scMS) на одной и той же растительной клетке. Этот новый подход позволяет напрямую соотносить на клеточном уровне экспрессию генов, участвующих в производстве целевых природных соединений, с их наличием и количеством.
Это ключевой шаг, который может облегчить расшифровку биосинтеза сложных природных соединений растений. Комбинированный метод также помогает идентифицировать специализированные типы клеток в растениях, где производятся или накапливаются терапевтически значимые химические соединения. Он принципиально улучшает наше понимание метаболических процессов в растениях и может ускорить устойчивую разработку растительных лекарств.
Сложность биосинтеза природных соединений растений
Биосинтез сложных соединений в лекарственных растениях часто осуществляется не в одной клетке. Отдельные этапы распределены по разным типам клеток. Каждая клетка специализируется на конкретных реакциях, а промежуточные продукты должны транспортироваться в другие клетки для дальнейшей обработки. Кроме того, метаболиты могут накапливаться в высоких концентрациях для хранения или балансировки спроса и предложения между взаимосвязанными метаболическими путями.
«Эти процессы образуют сложную метаболическую сеть, которую можно полностью понять, только интегрировав данные об экспрессии генов и метаболизме из одной и той же клетки», — объясняет Мунён Кан, один из первых авторов исследования, опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Клеточная фабрика: чертежи против складских запасов
Секвенирование РНК отдельных клеток (scRNA-seq) позволяет «прочитать» генетические чертежи клетки и определить её потенциальные продукты. Масс-спектрометрия отдельных клеток (scMS) измеряет количество конечных продуктов, присутствующих в клетке в данный момент.
Если сравнить клетку с фабрикой одежды, то scRNA-seq показывает, какую одежду фабрика может производить и сколько у неё чертежей. scMS показывает, сколько предметов сейчас на складе.
Большой запас указывает на высокое производство, но также может означать задержку в транспортировке. И наоборот, если продукты отгружаются немедленно, фабрика может казаться почти пустой, несмотря на работу на полную мощность.
«Чтобы по-настоящему понять весь логистический процесс — от производства и хранения до распределения — необходимо знать генетические чертежи и фактические количества продуктов в клетках», — говорит Лоренцо Капути, руководитель проектной группы «Пути биосинтеза природных соединений в растениях и отдельных клетках».
Новый подход: объединение генетических и метаболических данных из одной клетки
Исследовательская группа под руководством Лоренцо Капути и Сары О'Коннор успешно интегрировала scRNA-seq и scMS в пределах одной растительной клетки. Это впервые позволяет учёным напрямую соотносить экспрессию генов с количеством метаболитов.
Подход начинается с захвата отдельных клеток в микролунках. Затем робот переносит каждую клетку индивидуально в 96-луночный планшет. Клетка лизируется (разрушается), высвобождая своё содержимое — гены, белки, метаболиты и органеллы — в водный раствор. Лизат делится на две пробы: одну для генетического анализа (scRNA-seq), другую для метаболического анализа (scMS).
«Поскольку каждая клетка находится в определённой позиции на 96-луночном планшете, каждая точка данных может быть точно идентифицирована позже. Это позволяет нам напрямую сопоставить генетическую активность клетки с её метаболическим профилем», — подчёркивает Ан Хай Ву, второй ведущий автор.
Типы клеток как специалисты в метаболизме
Новый метод был опробован на катарантусе розовом (Catharanthus roseus), лекарственном растении, из которого получают противораковые препараты винбластин и винкристин. Биосинтез этих соединений сложен и уже интенсивно изучался. В нём участвуют по меньшей мере три разных типа клеток.
«Мы считаем, что наш новый метод ускорит расшифровку важных путей биосинтеза природных соединений растений, предоставив чёткое представление о вовлечённых типах клеток. Он также позволит идентифицировать ранее не охарактеризованные специализированные типы клеток в других лекарственных растениях и облегчит сравнение разнообразных логистических стратегий, которые эволюционировали у разных видов», — резюмирует О'Коннор.
В настоящее время исследователи оптимизируют несколько этапов рабочего процесса и автоматизируют части протокола, чтобы повысить воспроизводимость и сократить время эксперимента. Они также применяют комбинированный подход анализа последовательностей и метаболитов в клетке к другим видам растений и тканям — таким как листья, корни и стебли — чтобы выявить потенциальные узкие места и разработать более надёжные процедуры подготовки образцов.
Команда работает над снижением стоимости одного эксперимента, чтобы сделать метод доступным для более широкого круга пользователей. Этот метод улучшает понимание метаболических процессов растений и может ускорить устойчивое производство растительных лекарств в будущем.