Ученые разработали анализ, который одновременно определяет профили как эпигенома, так и транскриптома каждой из тысяч отдельных клеток.
Эпигеном и транскриптом являются частью молекулярной биологии, которая преобразует генетический план в инструменты и материалы для живых клеток.
Геномы разных типов клеток могут быть идентичными, а их эпигеномы и транскриптомы - нет. Эпигеном состоит из набора меток, определяющих действия генома каждой клетки, а транскриптом - это набор копий самих инструкций. Они кодируют производство белков. Поток информации от унаследованного плана к созданию белков имеет решающее значение для формирования и поддержания жизни.
Клетки могут получить доступ только к определенным частям своего двухцепочечного генома, упакованного в хроматин, во время транскрипции РНК. Поскольку этот доступ различается для разных типов клеток, именно доступность хроматина помогает определить форму, функции и разнообразие разнообразных клеток в многоклеточном живом организме.
Исследователи называют свой анализ sci-CAR. Sci расшифровывается как комбинаторное индексирование отдельных клеток, средство одновременного изучения большого количества отдельных клеток. В исследовательском отчете от 30 августа в журнале Science ученые описывают, как новый анализ объединяет два других геномных анализа в один протокол.
Эти анализы, среди прочего, включают уникальные штрих-коды для содержания нуклеиновых кислот в клетках или клеточных ядрах, которые содержат главный центр управления живыми клетками. Метод ученых для маркировки и сортировки клеток позволяет им связать профили доступности матричной РНК и хроматина отдельных клеток.
Большинство анализов того, что генетически происходит внутри отдельных клеток, отметили ученые, могут исследовать только один аспект клеточной биологии. Возможность одновременного исследования нескольких классов молекул может выявить, например, как связаны и регулируются определенные генетические механизмы.
Это также могло бы повысить полезность клеточных атласов сложных организмов, таких как черви или мыши. В конце концов, это может быть полезно для составления атласа клеток человека.
Новый метод был разработан учеными из Института точной медицины им. Бротмана Бэти в Сиэтле, Медицинской школы Вашингтонского университета, факультета геномных наук, Орегонского университета медицинских наук, Illumina, Inc., в Калифорнии, Allen Discovery Center для отслеживания клеточных линий и Медицинского института Говарда Хьюза.
Первым автором исследования является Джунюэ Цао, аспирант программы молекулярной и клеточной биологии и геномных наук в Медицинской школе Вашингтонского университета. Исследование возглавили Джей Шендур и Коул Трапнелл. Оба являются преподавателями кафедры геномных наук Медицинской школы Университета Вашингтона и исследователями Института Бротмана Бати, директором которого является Шендуре.
Исследователи впервые опробовали свой совместный анализ на более чем 4 800 клетках в модели реакции кортизола на клеточной культуре, полученной из рака легкого. В этой модели клетки обрабатывают кортикостероидом дексаметазоном. Этот синтетический стероид может активировать связывание тысяч участков генома и изменить экспрессию сотен генов.
Затем ученые изучили временную динамику эффектов дексаметазона на экспрессию генов, а также динамические изменения, которые произошли в доступности хроматина в тех же клетках.
В связанной работе исследователи стремились изучить ландшафт контроля над генами, лежащий в основе коллекций информационной РНК, обнаруженных в различных типах клеток в почках млекопитающих.
Применив свой совместный анализ к ядрам целых почек мышей, они восстановили профили доступности транскриптома и хроматина из 11 296 клеток. Они сгруппировали свои клетки почек мыши в 14 групп и охарактеризовали эпигеномные ландшафты, специфичные для клеточного типа, и связанные особенности транскриптома.
Основываясь на ковариантности между эпигеномом и транскриптомом, исследователи также узнали, что они могут установить связи между отдаленными геномными регуляторными элементами и их генами-мишенями, чтобы объяснить некоторые различия в экспрессии генов в различных типах клеток.
Глядя вперед, есть явные преимущества совместного анализа по сравнению с анализами, которые профилируют только транскрипцию РНК или доступность ДНК. Одним из преимуществ sci-CAR является то, что этот метод потенциально может быть использован для одновременного совместного анализа миллионов отдельных клеток.
Среди его ограничений - разреженность некоторых данных о доступности хроматина. Исследователи предположили, что это может быть преодолено в будущих экспериментах путем оптимизации некоторых аспектов текущего протокола.
Исследователи надеются продолжить объединение дополнительных совместных анализов, чтобы молекулярные биологи могли одновременно отслеживать поток генетической информации от ДНК к РНК и к конкретным белкам в каждой из множества отдельных клеток, которые могут существовать в сложных живых существах.