Впервые визуализирована активность генов и паттерны транскриптов в тысячах отдельных клеток

Биологи из Университета Цюриха разработали метод визуализации активности генов в отдельных клетках. Метод настолько эффективен, что впервые можно одновременно изучить тысячу генов в десяти тысячах отдельных человеческих клеток. Применение метода лежит в областях фундаментальных исследований и медицинской диагностики. Новый метод показывает, что активность генов и пространственная организация образующихся молекул транскриптов сильно варьируют между отдельными клетками.

Когда клетки активируют ген, они производят специфичные для гена молекулы транскриптов, которые делают функцию гена доступной для клетки. Измерение активности генов — рутинная процедура в медицинской диагностике, особенно в онкологии. Современные технологии определяют активность генов, измеряя количество молекул транскриптов. Однако эти технологии не могут измерить ни количество молекул транскриптов тысячи генов в десяти тысячах отдельных клеток, ни пространственную организацию молекул транскриптов внутри одной клетки. Полностью автоматизированная процедура, разработанная биологами Университета Цюриха под руководством профессора Лукаса Пелкманса, впервые позволяет параллельно измерить количество и пространственную организацию отдельных молекул транскриптов в десятках тысяч отдельных клеток. Результаты, недавно опубликованные в научном журнале Nature Methods, дают совершенно новые представления о вариабельности активности генов отдельных клеток.

Роботы, флуоресцентный микроскоп и суперкомпьютер

Метод, разработанный аспирантами Пелкманса Нико Баттихом и Томасом Штёгером, основан на комбинации роботов, автоматизированного флуоресцентного микроскопа и суперкомпьютера. «Когда гены становятся активными, производятся специфические молекулы транскриптов. Мы можем окрасить их с помощью робота», — объясняет Штёгер. Впоследствии генерируются изображения с флуоресцентного микроскопа ярко светящихся молекул транскриптов. Эти изображения были проанализированы с помощью суперкомпьютера Brutus ETH Zurich. С помощью этого метода можно изучить тысячу человеческих генов в десяти тысячах отдельных клеток. По словам Пелкманса, преимуществами этого метода являются большое количество отдельных клеток и возможность впервые изучить пространственную организацию молекул транскриптов многих генов.

Новое понимание пространственной организации молекул транскриптов

Анализ новых данных показывает, что отдельные клетки отличаются активностью своих генов. Хотя учёные предполагали высокую вариабельность в количестве молекул транскриптов, они были удивлены, обнаружив сильную вариабельность в пространственной организации молекул транскриптов внутри отдельных клеток и между множеством отдельных клеток. Молекулы транскриптов формировали характерные паттерны.

«Мы поняли, что гены со схожей функцией также имеют схожую вариабельность в паттернах транскриптов», — объясняет Баттих. «Это сходство превосходит вариабельность в количестве молекул транскриптов и позволяет нам предсказывать функцию отдельных генов». Учёные предполагают, что паттерны транскриптов являются мерой противодействия вариабельности в количестве молекул транскриптов. Таким образом, такие паттерны могут быть ответственны за устойчивость процессов внутри клетки.

Важность этих новых открытий была подытожена Пелкмансом: «Наш метод будет важен для фундаментальных исследований и понимания раковых опухолей, поскольку он позволяет нам картировать активность генов внутри отдельных опухолевых клеток».