Отпечаток пальца для генов

Клеткам необходимо поглощать вещества из внешней среды — этот процесс называется эндоцитозом. Его нарушения могут приводить к инфекционным, сердечно-сосудистым заболеваниям, раку, болезни Хантингтона и диабету. Учёные из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка совместно с Центром информационных услуг и высокопроизводительных вычислений (ZIH) Дрезденского технического университета применили новую стратегию для идентификации и характеристики генов, вовлечённых в эндоцитоз.

Комбинация высокоразрешающей микроскопии и количественного анализа изображений позволила исследовать эффекты большого числа генов. Учёные надеются получить важную информацию для предотвращения инфекций и лечения заболеваний в будущем. (Nature, 28 февраля 2010, онлайн-публикация)

Клетки поглощают материал, формируя из мембраны везикулы, которые транспортируют вещества к различным органеллам. Эти везикулы и органеллы (эндосомы) организованы в сложную транспортную сеть, обеспечивающую доставку разнообразных веществ к правильным внутриклеточным целям. Однако детали того, как, например, сигнальные молекулы передают информацию от мембраны к ядру, во многом неизвестны.

Новая стратегия исследования дала учёным беспрецедентное понимание сложных клеточных процессов. Они обнаружили, что отключение определённых генов приводит к застреванию везикул на периферии клетки вместо транспорта к её центру. Кроме того, разные вещества (питательные вещества и факторы роста) направляются к цели разными наборами генов, а эндоцитоз контролируется различными сигнальными путями. Клетки также используют эндоцитоз для точной регуляции количества сигнальных молекул на мембране и в эндосомах — эндоцитоз и сигнальные пути взаимно влияют друг на друга. В целом, в эндоцитоз прямо или косвенно вовлечено более 4000 генов.

Нарушения эндоцитоза могут вызывать болезни

Огромное число вовлечённых генов отражает важность эндоцитоза для клетки и организма. Например, сигналинг таких ключевых регуляторов метаболизма, как инсулин, зависит от эндоцитоза. Вирусы и другие патогены используют эндосомы для заражения клеток, а иммунные клетки, наоборот, поглощают и переваривают патогены в эндосомах. Таким образом, избирательное ингибирование эндоцитоза вирусов или более эффективное уничтожение патогенов в эндосомах могло бы предотвращать опасные инфекции. Даже такие болезни, как Альцгеймер и Хантингтон, связаны с повреждением транспортной системы клеток, что блокирует сигналы выживания для нейронов. Знание роли различных генов в эндоцитозе облегчит разработку потенциальных методов лечения.

Благодаря новой технологии, разработанной в Дрездене, это станет значительно проще. Учёным удалось с беспрецедентной точностью измерить роль генов в эндоцитозе внутри клетки. Они провели количественный анализ микроскопических изображений на основе десятков различных параметров и присвоили каждому гену определённую функцию в процессе. «Мы просканировали и картировали активность всех генов человеческого генома. В результате мы смогли составить количественный профиль для каждого гена — своего рода индивидуальный отпечаток пальца. Это даёт нам более полное понимание интеграции различных процессов в клетке. Этот подход теперь можно применять ко многим клеточным механизмам. Мы на пути к созданию "виртуальной клетки" через понимание всех процессов и взаимодействий», — объясняет Марино Дзериаль.

Новые стратегии исследования для новых терапий

Это стало возможным благодаря комбинации множества технологий. Учёные поочерёдно блокировали каждый из примерно 23 000 экспрессируемых человеческих генов с помощью малых интерферирующих РНК (siRNA), «выключающих» соответствующий ген. Затем они пометили флуоресцентными красителями два белка, которые клетки поглощали в эндосомы, что сделало их видимыми для автоматизированной высокоразрешающей микроскопии и программного анализа изображений. Вместо субъективного качественного анализа учёные определяли 62 различных параметра для клеток и всех видимых эндосом на изображениях (многопараметрический анализ изображений). Эти критерии помогли установить, как блокировка гена влияет на эндоцитоз. Они могли наблюдать в микроскоп, как изменяется поглощение веществ клетками при инактивации одного из генов.

«Мы разработали совершенно новую стратегию, объединяющую множество компонентов в одну большую аналитическую систему: геномный скрининг на основе RNAi, автоматизированную высокоразрешающую микроскопию, многопараметрический анализ изображений — и вычислительную мощность», — сообщает Дзериаль. В итоге было накоплено более 2,5 миллионов изображений для анализа. Такой огромный объём данных можно было обработать только на суперкомпьютере благодаря сотрудничеству с ZIH. Только на анализ изображений для получения статистически достоверных данных у компьютера ушло бы более 4 миллионов часов. «Но этот невероятный труд принёс не только важные новые открытия. Он также был необходим как отправная точка для более эффективного и менее затратного использования этой технологии в будущем», — говорит Дзериаль.

Следующим шагом будет тестирование успешной скрининговой программы на первичных клетках или модельных организмах, имитирующих человеческие заболевания. Именно тогда раскроется её истинный потенциал для разработки лекарств. Иван К. Бэйнс, директор по сервисам и инфраструктуре Института, описывает будущее проекта: «Если мы сможем отделить токсичность лекарства от его эффективности, как предполагает количественный профильный подход этого исследования, то, возможно, мы сможем открывать лучшие лекарства с меньшими побочными эффектами».