Учёные научились изучать индивидуальные клетки

Статистическая шутка о Билле Гейтсе в баре показывает, почему усреднённые данные могут вводить в заблуждение. Это касается и биологии, где долгое время изучение ключевых черт клеток человека и животных означало анализ усреднённых образцов ткани — как попытка изучить банан, смешав его с ягодами в смузи.

В последние годы учёные разработали методы, позволяющие напрямую изучать ДНК, активность генов и другие характеристики отдельных клеток. Этот подход стал широко применяться, раскрывая ранее недоступные детали об организме, и открыл путь к амбициозной цели: каталогизировать каждый тип клеток в теле человека.

Шквал открытий

Сложные организмы — это огромные сообщества клеток. У взрослого человека их около 37 триллионов, и они невероятно разнообразны. Например, во внутренней оболочке толстой кишки более 50 типов клеток.

Методы декодирования ДНК и РНК из отдельных клеток стали широкодоступны около пяти лет назад. Подход на уровне одной клетки уже привёл к множеству открытий только за последний год:

• Учёные отследили активность генов в эмбрионах рыб и лягушек, приблизившись к пониманию, как из одной оплодотворённой яйцеклетки развивается целый организм. Одно исследование обобщило данные более чем 92 000 клеток эмбриона zebrafish.
• Исследователи раскрыли детали физической связи между беременной женщиной и плодом, что может помочь понять некоторые причины мертворождения.
• Обнаружен паттерн активности генов в некоторых клетках меланомы, позволяющий им сопротивляться иммунотерапии. Это может помочь найти способ сделать такие клетки уязвимыми.
• Два исследования выявили в дыхательных путях редкий тип клеток, производящий большое количество белка CFTR, мутации в котором вызывают кистозный фиброз. Это открывает большой потенциал для разработки новых методов лечения.

В Онкологическом центре MD Anderson Университета Техаса Николас Навин использует анализ ДНК отдельных клеток, чтобы выявить различные паттерны мутаций в клетках одной опухоли. Это позволяет реконструировать, когда и где эти мутации появились в процессе эволюции опухоли, и идентифицировать наиболее летальные комбинации мутаций. В перспективе это поможет подбирать лечение для конкретных пациентов, оценивать риск прогрессирования болезни и обнаруживать рак на очень ранней стадии по анализу ДНК редких клеток в крови.

Атлас всех клеток

Возможность получать данные по сотням тысяч отдельных клеток за раз открыла дорогу масштабному проекту Human Cell Atlas Consortium. В нём участвуют более 1000 учёных из 57 стран, планируя в итоге проанализировать не менее 10 миллиардов клеток как здоровых, так и больных людей.

Со-организатор проекта, профессор MIT Авив Регев, объясняет необходимость атласа: карта генов позволила выявить тысячи генетических вариантов, влияющих на риск заболеваний. Но чтобы превратить это в терапию, нужно знать, в каких именно клетках действуют эти варианты. Для этого «нам нужно нанести на карту все клетки».

Первый черновик атласа, сфокусированный на определённых органах и тканях, ожидается примерно через пять лет. На завершение работы может потребоваться около десяти лет. Это не мгновенное лекарство от всех болезней, но «критически важный шаг» на этом пути.