Атлас клеток человека: трехмерная карта для раскрытия тайн нашего тела

Международный проект Human Cell Atlas ставит перед собой амбициозную цель — создать первую всеобъемлющую трехмерную карту всех клеток человека. Это может привести к прорыву в понимании здоровья, работы организма и механизмов болезней.

Несмотря на то, что клетки были открыты около 350 лет назад, мы до сих пор мало знаем об их разнообразии и функциях. Создание такого атласа, по словам биохимика доктора Линаса Мажутиса из Вильнюсского университета, может иметь такое же влияние, как и расшифровка генома человека, и заложить основу для новых технологий и открытий.

Технологический вызов

Проект столкнулся с колоссальной задачей: в теле взрослого человека около 40 триллионов клеток. Для их анализа в рамках проекта Cells-in-drops (финансируемого ЕС) используется технология микрофлюидики в каплях.

• Клетки изолируются в микроскопические водяные капли размером около 100 микрометров.
• Каждая капля становится микроскопической пробиркой, где клетка разрушается, а её содержимое анализируется.
• Ключевой фокус — изучение программ экспрессии генов в отдельных клетках, так как активность генов сильно варьируется в разных типах клеток.

Метод «штрихкодирования»

Доктор Мажутис совместно с коллегами из Гарварда разработал эффективный метод анализа РНК (рибонуклеиновой кислоты), которая переводит код ДНК в белки.

1. РНК в каждой капле преобразуется обратно в ДНК с добавлением уникального штрихкода.
2. Генетический материал из всех капель объединяется и анализируется массово.
3. Благодаря штрихкодам, последовательности РНК от каждой отдельной клетки можно идентифицировать. Этот метод на порядки быстрее и дешевле предыдущих, что критически важно для создания Атласа.

От карты к истории: клеточная родословная

Профессор Эхуд Шапиро (Институт Вейцмана, Израиль) объясняет, что после создания карты всех типов клеток (Human Cell Atlas 1.0) следующая цель — построить 4D-атлас, отслеживающий развитие клеток во времени.

• Пока полную клеточную родословную удалось восстановить только для микроскопического червя C. elegans (1000 клеток).
• Для человека команда Шапиро в проекте LineageDiscovery использует ошибки копирования в микросателлитах (повторяющихся участках ДНК), которые возникают при делении клеток, как генетические метки.
• С помощью технологии padlock probes (замковых зондов) они могут одновременно анализировать тысячи потенциальных сайтов ошибок, приближаясь к цели в миллион маркеров, необходимых для реконструкции клеточного дерева.

Потенциальное влияние

Расшифровка клеточной родословной может дать ответы на фундаментальные вопросы:

• Метастазирование рака: происходит ли оно из одной клетки или в результате постоянной «утечки» миллионов клеток из первичной опухоли?
• Регенерация тканей: какие ткани организма могут восстанавливаться во взрослом возрасте?

Остающиеся препятствия

Как отмечает доктор Мажутис, перед учеными стоят серьёзные вызовы: неизвестно, насколько Атлас клеток одного человека будет отличаться от Атласа другого. Создание Human Cell Atlas остается грандиозной задачей, требующей глобального сотрудничества.