Эссенциальные гены часто экспрессируются с высокой вариабельностью в процессе развития клеток. Ученые называют это явление «биологическим шумом» и подозревают, что оно также имеет решающее значение для судьбы клеток, т. е. пути развития, по которому идет клетка. Исследователь Макса Планка Доминик Грюн теперь представляет метод, основанный на данных отдельных клеток, для количественной оценки этой изменчивости в экспрессии генов. Преимущество так называемого метода VarID состоит в том, что шум экспрессии генов можно измерить в группах очень похожих или родственных состояний клеток. Таким образом, исследователь из Фрайбурга надеется лучше понять, в какой степени шум регулирует развитие или даже необходим для дифференцировки клеток.
Клетки являются строительными блоками жизни. Чтобы лучше понять различные типы клеток и их молекулярные процессы, ученые используют технологию, называемую секвенированием одноклеточной РНК (scRNA-seq). Это включает измерение количества молекул мРНК, генерируемых активными генами в отдельных клетках. В зависимости от типа и стадии развития клетки активируют разные гены, которые изначально транслируются в молекулы РНК, составляющие основу для синтеза белков.
Идентификатор ячейки
Как своего рода отпечаток пальца, количество различных молекул мРНК на ген в конкретной клетке информирует об идентичности клетки и отношениях между клетками. В последние годы scRNA-seq не только подтвердила уже известные типы клеток, но также привела к идентификации ранее неизвестных и редких типов клеток. Кроме того, технология также позволяет глубже проникнуть в суть клетки. Измерения могут быть использованы для анализа пространственного расположения отдельных клеток в ткани и выявления траекторий развития и переходных состояний на этих траекториях.
"Многие заболевания, такие как рак, возникают из-за того, что клетки не полностью развиваются от стволовых клеток до зрелости. Вместо этого они остаются на стадии предшественников и размножаются бесконтрольно. Мы хотим понять, что происходит в клетке, когда развитие "возмущается таким образом. Поэтому мы придумали уникальные алгоритмы обработки и анализа данных одиночных клеток", - говорит руководитель исследовательской группы Max Planck Доминик Грюн.
Выражение гена - это шум
Эссенциальные гены, такие как факторы транскрипции, которые определяют, какие гены следует включать или выключать, часто слабо экспрессируются при клеточной дифференцировке, иногда с высокой вариабельностью в клетках одного и того же типа. Исследователи называют это «биологическим шумом». Соответственно, различия в экспрессии таких генов трудно обнаружить в данных.
Более того, доступные в настоящее время методы анализа почти исключительно сосредоточены на количественном определении и интерпретации уровней экспрессии генов в отдельной клетке. Но биологические последствия шума экспрессии генов во время клеточной дифференцировки и переходов между состояниями клеток не были глубоко изучены», - говорит Грюн.
VarID количественно определяет динамику изменчивости экспрессии генов
Новый метод VarID Доминика Грюн устраняет этот пробел путем количественной оценки шума экспрессии генов в группах очень похожих или связанных состояний клеток. При таком подходе можно исследовать динамику шума экспрессии генов во время дифференцировки стволовых клеток в типы зрелых клеток и исследовать, в какой степени шум регулирует развитие или даже необходим для клеточной дифференцировки.
Основой метода VarID является алгоритм, разработанный Домиником Грюном, который количественно определяет динамику изменчивости экспрессии генов на основе данных секвенирования РНК в одной клетке. Таким образом, VarID очерчивает окрестности с дифференциальной изменчивостью экспрессии генов, а также в сложных смесях различных типов клеток или состояний клеток. В частности, этот подход выявляет активность слабых и шумных факторов транскрипции, участвующих в переходах состояний клеток.
Геновой шум формирует судьбу клетки
С помощью метода VarID автору удалось отследить активность основных факторов транскрипции при развитии клеток крови у мышей. «Данные показывают, что важные факторы транскрипции, которые, как известно, экспрессируются в зрелых клетках крови в костном мозге мышей, экспрессируются слабо, но сильно варьируют в стволовых клетках крови. Мы предполагаем, что флуктуирующая активность этих генных сетей - другими словами, шум этих генов может спровоцировать дифференциацию», - говорит Доминик Грюн.
Исследователь Макса Планка Доминик Грюн убежден, что шум экспрессии генов является важной частью того, как клетки принимают решения о своем будущем. «Метод VarID открывает дверь, чтобы пролить свет на роль шума экспрессии генов во время дифференцировки стволовых клеток. Поскольку теперь мы можем читать шум дифференцировки стволовых клеток, мы надеемся выяснить, как этот процесс контролируется, чтобы лучше понять, как шум регулирует решения о судьбах клеток."