Клеточная база данных из 200 000 изображений привела к новой математической модели для понимания клеток

Ученые из Института клеточной науки Аллена (Allen Institute for Cell Science) проанализировали сотни тысяч высококачественных изображений и впервые смогли количественно описать внутреннюю организацию человеческих клеток — биологическую концепцию, которую до сих пор было крайне сложно измерить.

В ходе работы исследователи также зафиксировали детали богатого разнообразия форм клеток даже среди генетически идентичных клеток, выращенных в одинаковых условиях. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Nature 4 января.

«То, как организованы клетки, говорит нам об их поведении и идентичности, — сказала Сюзанна Рафельски, доктор философии, заместитель директора института, руководившая исследованием вместе со старшим научным сотрудником Матеусом Вианой, доктором философии. — Нам не хватало строгого подхода к работе с такого рода организацией. Мы пока не использовали эту информацию».

Это исследование дает биологам основу для количественного понимания организации различных типов клеток, сказала Рафельски. Оно также выявляет ключевые организационные принципы в изучаемых клетках — человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клетках.

Понимание того, как клетки самоорганизуются в здоровых условиях, и всего диапазона «нормальной» изменчивости поможет ученым лучше понять, что идет не так при заболеваниях. Набор изображений, генетически модифицированные стволовые клетки и код, использованные в этом исследовании, находятся в открытом доступе.

«Этот подход применим практически к любой клетке, и я ожидаю, что многие другие исследователи возьмут его на вооружение», — сказал Уоллес Маршалл, доктор философии, профессор биохимии и биофизики Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Вычисление «грушевидности» клеток

Команда создала коллекцию стволовых клеток, генетически модифицированных для свечения различных внутренних структур под флуоресцентным микроскопом. Имея клеточные линии с 25 помеченными структурами, ученые получили высококачественные 3D-изображения более 200 000 клеток, чтобы ответить на вопрос: как клетки организуют свое внутреннее пространство?

Ученые столкнулись с проблемой сравнения одной и той же структуры в разных клетках. Даже генетически идентичные клетки, выращенные в одинаковых условиях, сильно различались по форме. Стало ясно, что невозможно сравнить положение структуры А в короткой округлой клетке и в длинной грушевидной. Поэтому они решили измерить эти формы.

С помощью вычислительного анализа команда разработала «пространство форм», объективно описывающее внешнюю форму каждой стволовой клетки. Это пространство включает восемь измерений вариаций формы: высоту, объем, вытянутость, а также «грушевидность» и «бобовидность». После этого ученые смогли сравнивать «яблоки с яблоками», изучая организацию клеточных структур внутри всех клеток схожей формы.

«Мы создали модель, которая позволяет измерить форму клетки, и как только вы это сделаете, вы можете найти клетки схожей формы и заглянуть внутрь них, чтобы увидеть, как все организовано», — сказал Виана.

Строгая организация

Изучив положение 25 выделенных структур в группах клеток со схожей формой, ученые обнаружили, что все клетки организованы поразительно одинаково. Несмотря на огромные вариации формы, их внутреннее строение было очень последовательным.

Это похоже на то, как если бы все офисные работники в небоскребе ставили свой стол строго посередине кабинета, а картотечный шкаф — в дальний левый угол, независимо от размера или формы кабинета. Обнаружение отклонений от этой нормы может дать важную информацию о том, как клетки меняются при переходе к подвижности, подготовке к делению или при заболевании.

Исследователи изучили два варианта в своем наборе данных — клетки на краях колоний и клетки, подвергающиеся делению (митозу). В обоих состояниях ученые обнаружили изменения во внутренней организации, коррелирующие с различной средой или активностью клеток.

«Это исследование объединяет все, чем мы занимались в Институте клеточной науки Аллена с момента его основания, — сказала Ру Гунавардане, доктор философии, исполнительный директор института. — Мы создали все это с нуля, включая метрики для измерения и сравнения различных аспектов клеточной организации. Теперь мы и научное сообщество можем задавать вопросы о клеточной биологии, которые раньше задавать было невозможно».