Атлас регуляции генома на уровне отдельных клеток создан для мыши

Учёные завершили масштабную работу по картированию регуляторного ландшафта генома мыши с разрешением на уровне отдельных клеток.

Команда применила специальный анализ (ассай), ранее разработанный ими, для профилирования признака, называемого доступностью хроматина. Исследователей интересовало, как упаковка ДНК в структуру, называемую хроматином, влияет на то, какая генетическая информация становится доступной для считывания в каждой отдельной клетке. В состоянии доступности хроматина между молекулярными "бусинами" (нуклеосомами) образуются промежутки, позволяющие белкам получить доступ к ДНК.

В исследовании были проанализированы почти 100 тысяч отдельных клеток из 13 тканей взрослых самцов мыши: костный мозг, толстая кишка, сердце, почка, печень, лёгкие, тонкая кишка, селезёнка, семенники, тимус, весь мозг, а также мозжечок и префронтальная кора головного мозга.

Результаты исследования

• Учёные наблюдали 85 различных паттернов доступности хроматина, большинство из которых удалось соотнести с конкретными типами клеток.
• Был каталогизирован более 400 тысяч потенциальных регуляторных элементов.
• Исследователи смогли идентифицировать кластеры клеток со сходными ландшафтами хроматина и выделить в них разнообразные типы клеток.
• Качество данных варьировалось в зависимости от типа ткани, будучи самым низким в клетках-предшественниках сперматозоидов в семенниках из-за особой упаковки ДНК в репродуктивных клетках.

Значение и применение

Собранные данные могут углубить понимание путей развития и формирования клеточных линий. Например, этот ресурс позволит изучить, как меняется доступность хроматина при созревании клеток крови.

Этот атлас доступности хроматина на уровне одной клетки является частью глобальных усилий по созданию всеобъемлющего атласа типов клеток для человека, мыши и других видов. Авторы исследования ранее создавали аналогичные атласы для развивающихся червей и мух.

Методы и выводы опубликованы 2 августа в журнале Cell.

Технология и перспективы

Ключевую роль в исследовании сыграли протоколы анализа с комбинаторным индексированием отдельных клеток (single-cell combinatorial indexing assay), разработанные командой.

«Большинство генетических вариантов, лежащих в основе распространённых заболеваний, находятся в некодирующих областях генома, откуда управляется активность генов. Наши данные помогают понять регуляторные правила в разных типах клеток», — отметил соавтор работы Джей Шендюр.

Исследователи использовали полученные данные, чтобы определить, какие части генома «открыты» в разных типах клеток и какие гены регулируют эти элементы. Затем они сопоставили этот атлас с результатами полногеномных ассоциативных исследований (GWAS) человека, выявляющих генетические варианты, связанные с заболеваниями.

Несмотря на то, что данные атласа были получены на мышах, учёные смогли определить типы клеток, играющие роль во многих распространённых заболеваниях и признаках человека. Например:

• Наследуемость болезни Альцгеймера была наиболее выражена не в нейронах, а в микроглии (клетках-защитниках нервной системы).
• Наследуемость биполярного расстройства была наиболее выражена в возбуждающих нейронах.

Аналогичным образом были изучены аутоиммунные состояния, высокий уровень липидов, дефицит иммуноглобулинов, размер и состав тела, астма, сенная лихорадка, сердечные приступы, подагра и другие состояния.

Сопутствующее исследование: алгоритм Cicero

В связанной работе, также опубликованной 2 августа в Molecular Cell, представлен алгоритм Cicero. Он анализирует данные по доступности хроматина в отдельных клетках и устанавливает связи между регуляторными элементами в ДНК и генами, на которые они нацелены.

Учёные использовали Cicero для мышиного атласа, чтобы построить карту потенциальных связей между регуляторными элементами в каждом типе клеток. Это поможет понять, как миллионы регуляторных последовательностей ДНК контролируют выполнение клетками их специализированных функций.

Создание атласа клеток человека — грандиозная задача, учитывая ~37 триллионов клеток в организме и множество их типов. Однако прогресс, описанный в этих работах, может помочь в его создании. То, что раньше было трудоёмким для нескольких типов клеток, теперь можно сделать с разрешением на уровне одной клетки за несколько месяцев.

Мышь, разойдясь с человеком от общего предка около 75 миллионов лет назад, остаётся ключевой моделью для понимания здоровья и болезней человека. Атлас клеток мыши внесёт вклад в понимание того, как возникли типы клеток млекопитающих, включая человека.