Как мухи обретают зрение: Учёные используют секвенирование единичных клеток для идентификации типов клеток в зрительной системе

Исследователи из Нью-Йоркского университета открыли новые типы клеток в зрительной системе мух благодаря созданному ими инструменту, который находит и маркирует нейроны в процессе развития.

Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), объединяет данные секвенирования единичных клеток с новым алгоритмом для идентификации пар генов, указывающих на ранее неизвестные клетки в мозге плодовых мушек.

Плодовые мушки (Drosophila) давно используются как модельный организм для изучения фундаментальных вопросов о развитии и функции мозга. Вместо 86 миллиардов нейронов, как у человека, у плодовых мушек около 100 000 нейронов, что делает исследование мозга более управляемым, но всё ещё сложным.

Использование генетических инструментов, способных различать разные типы клеток у мух, произвело революцию в изучении нейронных цепей мозга, позволив учёным точно понимать развитие, функцию и поведение этих цепей.

"Отличительной чертой центральной нервной системы является разнообразие различных типов клеток, ответственных за множество различных функций", — сказал Клод Десплан, старший автор исследования.

Предыдущие исследования в лаборатории Десплана с использованием секвенирования единичных клеток определили, что в развивающейся зрительной системе мухи существует примерно 200 типов клеток. Секвенирование единичных клеток показывает экспрессию генов, поэтому когда клетки имеют одинаковые паттерны экспрессии генов, они, вероятно, выполняют одну и ту же работу и, следовательно, относятся к одному типу.

Учёные могли идентифицировать примерно половину из 200 типов клеток в развивающейся зрительной системе мухи на основе их экспрессии генов и предыдущих исследований, но им не хватало способа более легко изучать и маркировать остальные 100 типов клеток. Существующие инструменты, позволяющие точно манипулировать нейронными цепями взрослых мух, часто не могли маркировать те же нейроны во время развития, что делало эти инструменты непригодными для изучения клеток развивающегося мозга.

"Более того, предыдущий подход к идентификации типов клеток включал трудоёмкое тестирование многочисленных комбинаций генов-кандидатов. Мы знали, что нам нужен гораздо более эффективный подход для маркировки конкретных типов клеток и смогли использовать растущий объём доступных данных секвенирования единичных клеток", — сказал Ю-Чи Дэвид Чен, первый автор исследования.

Чен и его коллеги создали инструмент, который использует обширные данные секвенирования единичных клеток для развивающейся зрительной системы мух, чтобы идентифицировать гены — и комбинации генов — которые экспрессируются исключительно в определённых типах клеток.

Чтобы найти тип клеток, исследователи обычно ищут генетические маркеры, или отдельные гены, специфичные для типа клеток. Но часто ген экспрессируется в нескольких типах клеток, что затрудняет использование одного гена для их различения. Инструмент, разработанный исследователями из NYU, использует несколько иной подход: нахождение двух генов, которые перекрываются только в одном типе клеток.

Путём загрузки данных секвенирования РНК единичных клеток в созданный ими алгоритм исследователи систематически идентифицировали пары генов, которые уникально экспрессируются в большинстве типов клеток зрительной системы плодовой мушки на нескольких стадиях развития. Одна такая пара генов привела к открытию MeSps — совершенно нового типа клеток.

"Несмотря на долгую историю изучения зрительной системы плодовой мушки, мы никогда раньше не видели этот тип клеток", — сказал Чен.

Хотя будущие исследования будут углубляться в развитие и функцию MeSps — например, определяет ли он цвет, движение или другие особенности света, — это направление исследований станет возможным благодаря новым инструментам.

Исследователи отмечают, что их инструменты также можно использовать для изучения других систем, помимо зрения, у развивающейся мухи, при условии наличия данных по единичным клеткам. Более того, их логика поиска пар генов-маркеров вместо одного маркерного гена может быть применена в исследованиях на других видах.

"Вместо поиска одного хорошего маркерного гена, простая корректировка — просто взгляд на два гена — может обеспечить высокую специфичность к типу клеток", — сказал Чен.

"Этот новаторский и эффективный подход предоставляет исключительные инструменты для нейробиологии для исследования вопросов развития с высокой точностью", — сказал Десплан.