Первая интерактивная модель деления человеческой клетки

Митоз — процесс деления одной клетки на две — является одним из фундаментальных процессов жизни. Исследователи из EMBL создали первую интерактивную карту белков, обеспечивающих деление наших клеток. Она позволяет пользователям отслеживать, где именно и в каких группах белки продвигают процесс деления вперёд. Первый динамический атлас белков деления человеческой клетки опубликован в Nature 10 сентября 2018 года.

В 2010 году крупное исследование под руководством той же группы из EMBL в рамках европейского проекта MitoCheck определило, какие части генома человека необходимы для деления клетки. Но клетки функционируют не на основе геномной ДНК, а на основе кодируемых ею белков. Белки выполняют большую часть работы в клетке, формируя её операционный уровень. Такие процессы, как митоз, требуют точной координации сотен различных белков в пространстве и времени. Белки часто работают группами, подобно специализированным бригадам на большой стройке.

«До сих пор отдельные лаборатории в основном изучали отдельные белки в живых клетках, — говорит Ян Элленберг, руководитель проекта в EMBL. — Благодаря последующему европейскому проекту MitoSys мы смогли применить системный подход и изучить более широкую картину, исследуя динамические сети, которые формируют многие белки в живых человеческих клетках».

Созданный в результате Mitotic Cell Atlas интегрирует эти данные в интерактивную 4-D компьютерную модель. В этом общедоступном ресурсе учёные могут свободно выбирать любую комбинацию митотических белков и видеть в реальном времени, где и с кем они работают во время деления клетки.

Предоставление инструментов для создания новых клеточных атласов

Деление клетки — важнейший жизненный процесс. Когда он нарушается, могут возникать дефекты, такие как проблемы с фертильностью и рак. Элленберг: «Помимо митоза, разработанные здесь технологии можно использовать для изучения белков, управляющих другими клеточными функциями, например, гибелью клеток, миграцией клеток или метастазированием раковых клеток. Наблюдая за динамическими сетями, которые формируют эти белки, мы можем выявить критические уязвимости — точки, где за связь двух задач отвечает только один белок без резервного».

Рассмотрение болезненных процессов с точки зрения динамических сетей даёт новую перспективу для поиска их критических связей, которые можно разорвать или перестроить, чтобы их усилить. Чтобы сделать возможными подобные исследования в будущем, экспериментальные методы, платформа количественной микроскопии и код для создания динамических белковых атласов теперь открыты для использования другими.

Подсчёт белков в живых клетках

В текущем исследовании изучались клетки HeLa — широко используемая линия человеческих раковых клеток. 28 белков, важных для митоза, были сделаны флуоресцентными в основном с помощью редактирования генома CRISPR/Cas. Эти белки отслеживали с помощью 3-D конфокальной микроскопии, чтобы увидеть, где в клетке они находятся в каждый момент времени. Микроскоп настолько чувствителен, что позволяет даже подсчитывать белки, поэтому исследователи теперь знают, находится ли в определённом месте 100, 1000 или 10 000 белков. Данные по всем белкам были интегрированы в интерактивную компьютерную модель, создание которой фактически стало самой большой частью проекта.

Всего в митозе человеческих клеток участвует около 600 различных белков. Завершение набора данных для всех 600 позволит учёным полностью понять передачу информации внутри делящейся клетки и то, как принимаются решения — например, о переходе от одной фазы клеточного цикла к следующей. На это потребуется ещё несколько лет работы. «В EMBL мы постоянно добавляем информацию в атлас, визуализируя всё больше белков тем же стандартизированным способом», — говорит Стефани Александер, руководитель исследований в группе Элленберга в EMBL. «В долгосрочной перспективе полный обзор всех белков клетки позволит нам увидеть, как связаны между собой различные важные процессы жизни, например, деление клеток и гибель клеток. Это можно понять только с сетевой точки зрения».