Новые молекулярные атласы раскрывают, как растут и развиваются человеческие клетки

Исследователи из UW Medicine в Институте Бротмана Бэти в Сиэтле создали два клеточных атласа, отслеживающих экспрессию генов и доступность хроматина в процессе развития типов клеток и тканей человека.

Один атлас картирует экспрессию генов в отдельных клетках 15 фетальных тканей. Второй атлас картирует доступность хроматина отдельных генов внутри клеток.

Вместе атласы представляют собой фундаментальный ресурс для понимания экспрессии генов и доступности хроматина в развитии человека, беспрецедентный по масштабу. Более того, описанные в двух статьях методы позволяют генерировать данные об экспрессии генов и доступности хроматина для миллионов клеток.

Атласы описаны в последовательных публикациях в выпуске журнала Science от 13 ноября. Помимо BBI и UW Medicine, в исследованиях участвовали сотрудники Illumina, Inc., Университета Аризоны, Исследовательского центра рака Фреда Хатчинсона, Института молекулярной генетики Макса Планка и Медицинского центра Университета Рочестера.

Атлас экспрессии генов

Экспрессия генов — это процесс, в котором клетка использует инструкции, хранящиеся в её ДНК, для направления синтеза белка. Эти белки, в свою очередь, определяют структуру и функцию клетки. Атлас экспрессии генов показывает, где и когда происходит экспрессия генов в различных типах клеток по мере их роста и развития.

"Из этих данных мы можем напрямую сгенерировать каталог всех основных типов клеток в тканях человека, включая то, как экспрессия генов в этих типах клеток может различаться в разных тканях", — сказал ведущий автор Цзюньюэ Цао. Он выполнил эту работу в качестве постдока в лаборатории Джея Шендюра, профессора наук о геноме в UW Medicine, исследователя Медицинского института Говарда Хьюза и научного директора Института Бротмана Бэти. Цао теперь является доцентом в Университете Рокфеллера.

"Существует всеобъемлющая цель в этой области — профилировать генетические программы, присутствующие у человека, в максимально широком масштабе и с максимально возможным разрешением", — сказал Шендюр.

Для создания атласа исследователи профилировали экспрессию генов в 15 типах фетальных тканей с помощью метода sci-RNA-seq3. Этот метод маркирует каждую клетку уникальной комбинацией трёх ДНК-"штрихкодов", что позволяет исследователям отслеживать клетки без их физического разделения.

Получив последовательности, они использовали компьютерные алгоритмы для восстановления информации об отдельных клетках, кластеризации клеток по типу и подтипу и определения их траекторий развития. Учёные профилировали более 4 миллионов отдельных клеток и идентифицировали 77 основных типов клеток и примерно 650 клеточных подтипов.

Они также сравнили атлас с существующим атласом эмбрионального развития мыши. Со-старший автор Коул Трапнелл, доцент наук о геноме в Медицинской школе UW и исследователь Института Бротмана Бэти, пояснил: "Когда мы объединяем эти данные с ранее опубликованными, мы можем напрямую проследить путь развития клетки для всех основных типов клеток".

Атлас доступности ДНК

Второй атлас, доступности ДНК, картирует материал под названием хроматин, который позволяет ДНК быть плотно упакованной в ядре клетки. Хроматин может быть открытым и "доступным" для молекулярных механизмов, считывающих генетические инструкции, закодированные в ДНК, или закрытым и "недоступным". Знание областей ДНК, которые открыты или закрыты, может показать, как клетка выбирает, какие гены включать и выключать.

"Изучение хроматина даёт представление о регуляторной "грамматике" клетки", — сказал со-старший автор Даррен Кьюсанович, ранее постдок в лаборатории Шендюра, а теперь доцент Университета Аризоны. "Короткие участки ДНК, которые открыты или доступны, обогащены определёнными "словами", которые, в свою очередь, являются основой для указания клетки на необходимость включения определённых генов".

Для профилирования доступности ДНК в отдельных клетках учёные разработали новый метод sci-ATAC-seq3. Как и sci-RNA-seq3, этот метод также использует три разных ДНК-"штрихкода" в каждой клетке для маркировки и отслеживания отдельных клеток. Однако вместо идентификации всех экспрессируемых в данный момент последовательностей sci-ATAC-seq3 захватывает и секвенирует сайты открытого хроматина.

В этом исследовании учёные сгенерировали профили доступности хроматина почти для 800 000 отдельных клеток примерно в 1 миллионе сайтов в 15 фетальных тканях. Они исследовали, какие белки, вероятно, взаимодействуют с доступными сайтами ДНК в каждой клетке и как эти взаимодействия могут объяснить тип клетки. Этот анализ определяет контрольные переключатели для развития внутри генома. Они также идентифицировали сайты доступности хроматина, которые могут быть связаны с заболеваниями.

"Это говорит нам о том, какая часть генома может быть функциональной. Мы до сих пор не знаем, какой процент генома, не кодирующего гены, может быть вовлечён в регуляцию генов. Наш атлас теперь предоставляет эту информацию для многих типов клеток", — сказала Сильвия Домке, со-ведущий автор статьи об атласе доступности и постдок в лаборатории Шендюра. Другими ведущими авторами исследования доступности ДНК являются Эндрю Хилл, ранее вычислительный биолог в лаборатории Шендюра, а теперь учёный в 10x Genomics, и Риза Даза, научный сотрудник в лаборатории Шендюра.