Хотя наши знания о клетках и тканях человека неуклонно увеличивались в последние десятилетия, многие вещи остаются неизвестными. Например, клетки существуют в переходных, динамических состояниях, и их понимание имеет основополагающее значение для расшифровки болезней и поиска лекарств. Классические методы, используемые в лаборатории для изучения типов клеток, столкнулись с ограничениями и не позволили получить точно детализированный профиль клеточной функции.
Чтобы преодолеть это препятствие, группа ученых Национального центра геномного анализа (CNAG-CRG) из Центра геномной регуляции (CRG) в Барселоне, Испания, под руководством Хольгера Хейна разработала новую вычислительную инструмент, основанный на математической теории графов, для вывода глобальных крупномасштабных регуляторных сетей из здоровых и патологических органов, таких как пораженные диабетом или болезнью Альцгеймера. Исследователи смогли точно определить гены, связанные с функцией органов и потенциальными причинами заболеваний. Они публикуют свои результаты в текущем выпуске журнала Genome Biology.
«Наши ранее разработанные инструменты транскриптомии отдельных клеток были очень полезны для обнаружения неизвестных типов клеток», - говорит Джованни Яконо, старший научный сотрудник CNAG-CRG и первый автор исследования. «Эти инструменты позволили нам описать новые типы и подтипы клеток с их уникальными биологическими ролями и иерархическими отношениями», - добавляет он..
До сих пор анализ одиночных клеток использовался для понимания типов клеток и их функций в тканях. «Крупномасштабные консорциумы, такие как Human Cell Atlas Project, создают карты отдельных клеток целых организмов, и для преобразования больших данных в прорывные биологические и клинические идеи требуются сложные стратегии анализа», - говорит Хольгер Хейн, руководитель группы геномики отдельных клеток в CNAG-CRG и старший автор статьи.
Инструмент, который разработала эта научная группа, позволит им сделать еще один шаг вперед и увидеть, как гены взаимодействуют при формировании тканей. «Наш инструмент направлен именно на регуляторный процесс, контролирующий морфологию и функции клетки», - подчеркивает Яконо.
Инструмент основан на теории графов, абстрактной математической модели, в которой есть узлы, соединенные ребрами. Когда у вас есть график, структура, вы можете измерить важность каждого узла для сети. В этом случае каждый узел был геном, и важность определялась как функция этого гена, являющегося ключевым для изучаемой биологической системы.
Исследователи CNAG-CRG обработали наборы данных из десяти тысяч клеток, чтобы сделать вывод о регуляторных сетях, которые управляют формированием фенотипа клеток и их соответствующими функциями. Они применили свой инструмент для изучения диабета 2 типа и болезни Альцгеймера и смогли найти функциональные изменения, связанные с этими заболеваниями. Важно отметить, что это открывает двери для поиска новых мишеней для наркотиков.
"Сетевой анализ, который мы разработали, выходит за рамки применяемых в настоящее время подходов, чтобы обеспечить глубокое понимание того, как активность генов формирует ткани и органы. Это очень важно для понимания болезней, при которых эти сети разрушаются, и найти их "ахиллесову пяту" для эффективное лечение». говорит Хейн.
Потенциально средство можно применять при любых заболеваниях, от болезни Альцгеймера до хронического лимфолейкоза. «Мы применим наш инструмент, чтобы предложить новые гены-мишени для многих заболеваний, которые затем можно будет проверить в дальнейших исследованиях». Иаконо заявляет.