От одной стволовой клетки к множеству дифференцированных клеток тела: ученые из MDC в Берлине вместе с сотрудничающими исследователями в Мюнхене опубликовали в журнале Science подробное генеалогическое древо всего взрослого животного. Это стало возможным благодаря сочетанию РНК и вычислительных технологий.
Как однотипные стволовые клетки становятся сложными клетками организма, выполняющими самые разные функции? Дифференциация стволовых клеток во множестве типов клеток в организме человека является загадкой современной медицинской науки. Междисциплинарная группа ученых из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка (MDC) в Берлине и Центра Гельмгольца в Мюнхене добилась значительного прогресса благодаря всестороннему исследованию, опубликованному в журнале Science. Объединив сложную технологию одноклеточной РНК с секвенированием нуклеиновых кислот и вычислительными методами, ученые смогли создать подробный атлас клеток всего сложного взрослого животного, плоского червя Schmidtea mediterranea, и реконструировать генеалогическое дерево всех идентифицированных клеток. Их работа также дает новое понимание процессов клеточной регенерации. «Это открывает двери для новых мощных подходов к изучению клеточного состава органов, тканей и стадий развития, а также к пониманию молекулярных механизмов регенерации», - говорит профессор Николаус Раевски, глава Берлинского института биологии медицинских систем (BIMSB). MDC и старший автор исследования.
Исследователи реконструировали комплексное дерево генеалогии, включающее 23 пути клеточной дифференцировки
Планарии, такие как Schmidtea mediterranea, являются популярными объектами изучения, потому что они бессмертны и могут полностью вырасти заново, если их разрезать на части. Они обладают большим количеством взрослых плюрипотентных стволовых клеток, которые постоянно обновляют все ткани и типы клеток. «Чтобы понять, как клетки дифференцируются, нам нужно сравнить профили экспрессии генов в клетках на разных стадиях дифференцировки, например, у планарий», - говорит доктор Мирейя Пласс из MDC. «Мы диссоциировали целых животных и охарактеризовали тысячи отдельных клеток, секвенировав транскрипты их информационной РНК». Ученые выявили 37 различных типов клеток, 23 из которых терминально дифференцированы, а также многочисленные стволовые клетки и так называемые клетки-предшественники на нескольких уровнях дифференцировки.
"Затем мы применили новый вычислительный алгоритм, PAGA, разработанный доктором Александром Вольфом и профессором Фабианом Тейсом в Мюнхене, чтобы предсказать древовидную структуру, включающую все идентифицированные типы клеток, уходящие корнями в одну группу стволовых клеток", говорит Др. Кристин Кокс из MDC. Затем этот прогноз был объединен с дополнительными вычислительными и экспериментальными методами для построения надежного дерева, поддерживаемого несколькими независимыми линиями доказательств: секвенированием очищенных стволовых клеток и клеток животных с истощением стволовых клеток; изменения экспрессии генов; неконтролируемое предсказание дерева родословных от PAGA; и результаты недавно опубликованного метода velocyto, который предсказывает будущие состояния клеток по метаболизму мРНК, оцениваемому по предшественникам и зрелым транскриптам. Кроме того, исследователи смогли идентифицировать генные программы, участвующие в процессах дифференцировки клеток на этом дереве.
Ученые также обнаружили несколько новых типов клеток, расположенных в паренхиме животных, которые ранее не учитывались в молекулярных исследованиях и которые играют важную роль в регенерации плоских червей. Доля этих клеток значительно уменьшается у регенерирующих животных, что позволяет предположить, что эти клетки «подпитывают» процесс ремоделирования тела у планарий.
Научному сообществу доступны дополнительные онлайновые и интерактивные ресурсы
Ученые всего мира имеют непосредственный доступ к новым данным о биологии плоских червей, а также к методам, используемым группой исследователей. «Наша работа позволяет изучать стволовые клетки и их линии у многих животных. Это не только важный ресурс для сообщества планарий, но и поваренная книга для других ученых, которые хотят провести аналогичные исследования на других организмах», - говорит доктор. Хорди Солана, бывший MDC, ныне Оксфордский университет Брукса. С помощью интерактивного приложения ученые могут запрашивать данные и смотреть на изменения в экспрессии определенных генов во время дифференцировки и регенерации клеток. Подробное онлайн-руководство по реконструкции клонов с использованием PAGA и velocyto послужит руководством для будущих исследований. «Одноклеточные подходы станут незаменимым методом изучения биологии развития и регенерации», - заключает Николаус Раевски.