Полный клеточный атлас и древо линий бессмертного плоского червя
Ученые из Центра молекулярной медицины им. Макса Дельбрюка (MDC) в Берлине и Центра Гельмгольца в Мюнхене опубликовали в журнале Science полное древо клеточных линий целого взрослого животного. Это стало возможным благодаря комбинации технологий секвенирования РНК и вычислительных методов.
Как однородные стволовые клетки превращаются в сложные клетки тела с разнообразными функциями? Чтобы понять это, междисциплинарная группа ученых создала детальный клеточный атлас целого сложного взрослого животного — планарии Schmidtea mediterranea — и реконструировала древо линий всех идентифицированных клеток. «Это открывает двери для новых мощных подходов к изучению клеточного состава органов, тканей и стадий развития, а также для понимания молекулярных механизмов регенерации», — говорит профессор Николаус Раевски, старший автор исследования.
Ученые реконструировали полное древо линий, включающее 23 пути клеточной дифференцировки
Планарии, такие как Schmidtea mediterranea, — популярные объекты для изучения, потому что они бессмертны и могут полностью восстановиться из кусочка. Они обладают большим количеством взрослых плюрипотентных стволовых клеток, которые постоянно обновляют все ткани и типы клеток. «Мы диссоциировали целых животных и охарактеризовали тысячи отдельных клеток, секвенируя их матричные РНК (mRNA)», — говорит доктор Мирея Пласс из MDC. Ученые идентифицировали 37 различных типов клеток, 23 из которых — терминально дифференцированные, а также множество стволовых клеток и клеток-предшественников на нескольких уровнях дифференцировки.
Затем исследователи применили новый вычислительный алгоритм PAGA, разработанный доктором Александром Вольфом и профессором Фабианом Тайсом в Мюнхене, чтобы предсказать древо линий, включающее все идентифицированные типы клеток, с корнем в одной группе стволовых клеток. Это предсказание было объединено с дополнительными вычислительными и экспериментальными методами для построения надежного дерева, подтвержденного несколькими независимыми доказательствами:
- Секвенирование очищенных стволовых клеток и клеток из животных, лишенных стволовых клеток.
- Изменения в экспрессии генов.
- Непредвзятое предсказание древа линий с помощью PAGA.
- Результаты недавно опубликованного метода velocyto, который предсказывает будущие состояния клеток на основе метаболизма mRNA.
Кроме того, исследователи смогли идентифицировать генетические программы, участвующие в процессах клеточной дифференцировки вдоль этого дерева.
Ученые также обнаружили несколько новых типов клеток, расположенных в паренхиме животных, которые ранее упускались из виду в молекулярных исследованиях и которые играют важную роль в регенерации плоских червей. Доля этих клеток значительно уменьшается у регенерирующих животных, что позволяет предположить, что эти клетки «заправляют» процесс перестройки тела у планарий.
Дополнительные онлайн- и интерактивные ресурсы доступны научному сообществу
Ученые по всему миру получили немедленный доступ к новым данным по биологии плоских червей, а также к методам, использованным исследовательской группой. «Наша работа позволяет изучать стволовые клетки и их линии у множества животных. Это не только важный ресурс для сообщества, изучающего планарий, но и предоставляет «поваренную книгу» для других ученых, которые хотят провести аналогичные исследования на других организмах», — говорит доктор Джорди Солана. Через интерактивное приложение ученые могут изучать данные и отслеживать изменения в экспрессии конкретных генов во время клеточной дифференцировки и регенерации. Подробное онлайн-руководство по реконструкции линий с использованием PAGA и velocyto послужит руководством для будущих исследований. «Подходы к изучению единичных клеток станут незаменимым методом для изучения биологии развития и регенерации», — заключает Николаус Раевски.