Исследователи впервые детально изучили клеточные контакты с помощью передовой микроскопии
Ученые из Медицинского колледжа Университета Пенсильвании используют передовые методы визуализации для изучения жизни на атомном, клеточном, тканевом и организменном уровнях. Эти проекты мотивированы заболеваниями, наблюдаемыми в клинике, и открытия в лаборатории могут в будущем привести к новым методам лечения пациентов с кожными болезнями, раком, неврологическими и другими расстройствами.
Один из таких проектов возглавляет Эндрю Ковальчик, профессор дерматологии и клеточной, молекулярной физиологии. Его команда изучает, как клетки соединяются друг с другом, используя редкие кожные заболевания как модель. Способность триллионов клеток организма формировать ткани и реагировать на стресс критически важна для нормальной функции органов.
Неожиданное открытие в клеточных соединениях
Лаборатория Ковальчика изучает десмосомы — структуры клеточной адгезии, необходимые для работы кожи и сердца. В своей последней работе, опубликованной в Nature Cell Biology, исследователи описали архитектуру и динамику комплекса между десмосомами и эндоплазматическим ретикулумом (ЭР) — внутриклеточной мембранной системой, участвующей в сворачивании и транспорте белков.
Они сделали «неожиданное» открытие: ЭР ассоциируется с десмосомами и кератиновыми промежуточными филаментами — цитоскелетной сетью, позволяющей клеткам кожи сопротивляться механическому стрессу.
Идея о такой ассоциации была первоначально выдвинута Сарой Стэйли, доцентом дерматологии, на основе наблюдений редких заболеваний вроде болезни Дарье, которые связывают функцию ЭР и десмосом.
Постдок Наванитха «Нав» Кришнан Бхаратян разработал методы для изучения гипотетического комплекса ЭР-десмосома. Он создал инструменты для визуализации ЭР, включая флуоресцентную маркировку трубочек ЭР, и применил методы визуализации живых клеток. Это дало первые доказательства стабильной ассоциации ЭР с десмосомами в межклеточных контактах в зеркальном расположении.
Бхаратян подал заявку в Advanced Imaging Center в кампусе Джэнелия для использования FIB-SEM (сканирующей электронной микроскопии сфокусированным ионным пучком) — метода объемной электронной микроскопии. Это позволило определить точное 3D-расположение трубочек ЭР у десмосомы с нанометровым разрешением и привело к сотрудничеству с учеными Джэнелия.
Машинное обучение фокусирует изображения контактов
Уильям «Уилл» Гианг, специалист по визуализации, использовал машинное/глубокое обучение для восстановления и сегментации изображений. Это позволило преобразовать данные объемной электронной микроскопии в детальные 3D-модели ассоциации ЭР-кератин-десмосома.
«Машинное обучение позволило нам визуализировать эти изображения за несколько недель, в то время как вручную на это ушли бы годы», — сказал Ковальчик.
В экспериментах под руководством Бхаратяна и аспирантки Корин Хоффман команда получила предварительные данные, указывающие, что комплекс ЭР-кератин-десмосома может служить сенсором стресса, реагирующим на нарушение межклеточных контактов. Теперь команда изучает, как этот структурный комплекс позволяет клеткам реагировать на механические воздействия.
Исследования с использованием передовой визуализации и искусственного интеллекта в колледже направлены на фундаментальные открытия, которые, по словам Лесли Парент, вице-декана по исследованиям, «сформируют будущее медицины».