Аскариды играют главную роль в первом в истории сборнике данных о генах всех видов клеток животного. Данные, полученные на определенном этапе жизни червя, показывают, например, какие гены включены или выключены в каждой клетке.
Почти все клетки человека содержат одни и те же гены. Этот набор генов был определен в момент оплодотворения, когда у особи была всего одна клетка. В результате множественных клеточных делений тело в конечном итоге состоит из клеток разных типов.
Каждый тип клеток имеет свою избирательную активацию частей генетического кода человека. Эти паттерны «выкл./вкл. ген» в значительной степени объясняют несметное число форм, свойств и функций многих специализированных клеток в организме человека или животного.
Исследователи UW Medicine хотели создать ресурс для понимания причин большого разнообразия клеток в одном и том же организме. Они разработали стратегии штрихового кодирования и индексирования большого количества отдельных клеток и отдельных молекул. Их целью было измерить молекулярное состояние каждой клетки и типа клеток аскариды.
Старшими учеными проекта были Роберт Уотерстон, профессор и заведующий кафедрой геномных наук Медицинской школы Вашингтонского университета; Коул Трапнелл, доцент кафедры генома Университета Вашингтона; и Джей Шендур, профессор геномных наук Университета Вашингтона и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. Ведущими учеными были аспиранты Медицинской школы Университета Вашингтона Джунюэ Цао и Джонатан Пакер.
Исследовательская группа уникально пометила полные генетические данные многих клеток или их ядер. Ядро действует как центральный офис управления клеткой.
Генетические показания показывают, какие сегменты кода ДНК копируются клеткой через РНК. Совокупность копий РНК, или транскриптов, называется транскриптомом. Они становятся набором направлений для производства белка или другой клеточной активности.
Исследователи применили свои стратегии профилирования к личиночной стадии нематоды Caenorhabditis elegans. Эта аскарида уже отличается тем, что является единственным многоклеточным организмом, в котором зарегистрированы все его клетки и типы клеток, а также вся линия развития этих клеток.
Эта нематода также имеет сравнительно мало клеток. На личиночной стадии их 762, не считая репродуктивных клеток. В отличие от многих других животных, каждая личинка нематоды имеет одинаковое количество клеток.
Это также популярный червь для генетических исследований и изучения того, как живые существа начинают формироваться после зачатия, затем растут и проходят этапы жизни до старости.
До недавнего времени не существовало способа всесторонней классификации всех клеток организма на основе активности генов. Были разработаны методы наблюдения за активностью генов в отдельных клетках.
«Теперь мы можем сделать это экспериментально для десятков тысяч клеток одновременно», - сказал Трапнелл.
Исследователи начали с технического контроля, чтобы посмотреть, смогут ли они быстро отделить клетки человека от мышиных.
Они впервые перешли к измерению всех генов во всех клетках целого животного в одном эксперименте.
«Мы надеемся, что этот ресурс заметно ускорит усилия биологов по выявлению новых фундаментальных принципов формирования и развития животных, - сказал Трапнелл, - и что эта работа с червями станет ступенькой на пути к лучшему пониманию человека». разработка.
Исследование также показало, сказал он, «насколько невероятно специализированными могут быть нейроны [нервные клетки, которые обрабатывают и передают информацию]. В червях были некоторые редкие типы нейронных клеток, представленные только одной или несколькими клетками».
Он ожидает, что атласы, подобные тому, который подготовила его команда, приведут к бурным дебатам о переклассификации клеток.
Будущие исследования, по его словам, скорее всего, будут направлены на изучение того, как меняется транскриптом всего животного по мере роста животного, и что контролирует эти изменения, поскольку ученые проводят подобные эксперименты на разных стадиях развития.
Что касается прогнозов по аналогичным экспериментам по получению сопоставимого атласа тела мыши или человека, Трапнелл сказал, что препятствия будут заключаться не столько в стратегии индексации, сколько в получении образцов. Мыши и люди не содержат заранее определенного количества клеток. Кроме того, анатомическая обработка всего сложного организма для сбора всех типов клеток также будет сложной задачей.
Преимущество их метода одноклеточного комбинаторного индексирования секвенирования РНК, или сокращенно sci-RNA-seq, заключается в скорости. Библиотеку, профилирующую транскриптомы десятков тысяч отдельных клеток за эксперимент, может заполнить один человек за два дня. Стоимость колеблется от 3 центов до 20 центов за ячейку.
Гипотетически, по оценкам исследователей, исследователь может в конечном итоге профилировать транскриптомы более 10 миллионов клеток в одном эксперименте.
Исследователи написали, что они рассматривают свои данные как отправную точку для атласа, который основан на карте клеточных линий C. elegans, получившей Нобелевскую премию, созданной британцем Джоном Сулстоном, и который укажет молекулярное состояние каждой клетки. на протяжении всего жизненного цикла этой важной нематоды.
Ученые сделали необработанные данные доступными для других лабораторий на Gene Expression Omnibus и предоставили онлайн-примеры того, как работать с данными через Jupyter Notebook.