Прорывная методика изучения экспрессии генов впервые применена к растениям

Платформа для анализа РНК с открытым исходным кодом впервые успешно использована на растительных клетках. Этот прорыв может открыть новую эру фундаментальных исследований и усилить работу по созданию более эффективных продовольственных и биотопливных сельскохозяйственных культур.

Технология, называемая Drop-seq, — это метод измерения РНК в отдельных клетках, позволяющий учёным видеть, какие гены экспрессируются и как это связано с функциями разных типов клеток. Разработанный в Гарвардской медицинской школе в 2015 году, свободно распространяемый протокол ранее использовался только на клетках животных.

«Это действительно важно для понимания биологии растений, — сказала ведущий исследователь Диана Дикел из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab). — Как и у людей, у растений есть множество типов клеток и тканей. Но изучение растений на клеточном уровне немного сложнее, потому что, в отличие от животных, растения имеют клеточные стенки, которые затрудняют вскрытие клеток для генетических исследований».

Для многих генов растений у нас мало или совсем нет понимания их реальной функции, объяснила Дикел. «Но, зная, в каком именно типе клеток или на какой стадии развития экспрессируется конкретный ген, мы можем начать понимать его функцию. В нашем исследовании мы показали, что Drop-seq может помочь нам в этом».

«Мы также показали, что эти технологии можно использовать для понимания того, как растения реагируют на различные условия окружающей среды на клеточном уровне. Это интересно многим фитобиологам Berkeley Lab, поскольку способность выращивать культуры в неблагоприятных условиях, таких как засуха, важна для производства продовольствия и биотоплива», — добавила она.

Дикел, изучающая геномику млекопитающих, уже несколько лет использует Drop-seq на клетках животных. Будучи сразу поклонницей простоты и эффективности платформы, она начала обсуждать с коллегами, работающими с растениями, возможность её применения на растительных клетках.

Однако некоторые сомневались в успехе. Во-первых, для анализа РНК единичных клеток (single-cell RNA-seq) растительные клетки необходимо превратить в протопласты — то есть удалить клеточные стенки с помощью коктейля ферментов. Этот процесс сложен, так как клетки разных видов и даже разных частей одного растения требуют уникальных ферментных смесей.

Во-вторых, некоторые фитобиологи выражали опасение, что протопластирование слишком сильно изменяет клетки, чтобы дать представление об их нормальном функционировании. Наконец, некоторые растительные клетки просто слишком велики для существующих платформ single-cell RNA-seq. Эти технологии, появившиеся за последние пять лет, позволяют оценивать РНК в тысячах клеток за один запуск, тогда как предыдущие подходы анализировали лишь десятки или сотни клеток.

Несмотря на трудности, Дикел и её коллеги из Объединённого института генома (JGI) объединились с исследователями из UC Davis, которые усовершенствовали методику протопластирования корневой ткани Arabidopsis thaliana (резуховидки Таля) — небольшого цветущего сорняка, используемого в качестве модельного организма.

Подготовив образцы более 12 000 клеток корня арабидопсиса, группа была поражена, когда процесс Drop-seq прошёл легче, чем ожидалось. Их полные результаты опубликованы на этой неделе в Cell Reports.

«Когда мы предлагали эту идею для растений, люди приводили список причин, почему это не сработает, — сказала Дикел. — А мы говорили: "Хорошо, но давайте просто попробуем". И это действительно сработало. Мы были честно удивлены, насколько всё оказалось просто».

Открытый характер технологии Drop-seq был критически важен для успеха проекта, по словам соавтора Бенджамина Коула, учёного-геномика растений из JGI. Поскольку Drop-seq недорога и использует простые в сборке компоненты, она дала исследователям возможность экспериментировать с низким риском и затратами. Уже нарастает волна интереса: ещё до публикации статьи Дикел и её коллеи начали получать запросы от других учёных Berkeley Lab, JGI и других институтов с просьбами дать совет по адаптации платформы для других проектов.

«Когда я впервые говорил с Дианой о попытке использовать Drop-seq на растениях, я понимал огромный потенциал, но думал, что будет трудно достаточно быстро разделить растительные клетки для получения полезных данных, — сказал Джон Фогель, ведущий учёный по функциональной геномике растений в JGI. — Я был шокирован, увидев, насколько хорошо это сработало и сколько они смогли узнать из своего первого эксперимента. Эта методика изменит правила игры для фитобиологов, потому что позволяет исследовать экспрессию генов без измельчения целых органов растения, и результаты не "загрязнены" сигналами от нескольких наиболее распространённых типов клеток».

Авторы ожидают, что эта платформа и другие подобные технологии RNA-seq со временем станут рутинными в исследованиях растений. Основное препятствие, по словам Дикел, — разработка методов протопластирования для каждого конкретного исследуемого растения.

«Часть миссии Berkeley Lab — лучше понять, как растения реагируют на меняющиеся условия окружающей среды, и как мы можем применить это понимание для оптимального использования растений в биоэнергетике, — отметила первый автор Кристин Шульс, ныне аффилированный исследователь JGI. — В этой работе мы создали карту экспрессии генов в отдельных типах клеток одного вида растения в двух условиях окружающей среды, что является важным первым шагом».