Ученые уже давно ценят круглых червей Caenorhabditis elegans как модель для изучения биологии многоклеточных организмов. Миллиметровых червей легко выращивать в лаборатории и генетически манипулировать, и они имеют всего около 1000 клеток, что делает их мощной системой для исследования тонкостей развития, поведения и метаболизма.
Теперь команда из Принстонского института интегративной геномики Льюиса-Сиглера подготовила новые ресурсы для исследования C. elegans: всестороннее представление о том, какие гены активны в каждой из четырех основных тканей взрослых червей, а также инструмент для прогнозирования активности генов в 76 более конкретных типах клеток. Команда, возглавляемая соавторами, профессором молекулярной биологии Колин Мерфи и профессором компьютерных наук Ольгой Троянской, сообщила о своих результатах в статье от 10 августа в журнале PLOS Genetics.
Работа основана на сотрудничестве, которое восходит к 2009 году, когда две лаборатории впервые объединились для анализа моделей активности генов в тканях C. elegans. «Мы с Ольгой оба интересовались тканевой специфичностью. Большая часть биологии, о которой мы слышим, происходит в целых организмах, но правда в том, что если у вас есть заболевание, оно обычно связано с конкретной тканью», - сказал Мерфи, который руководит Принстонский центр количественных исследований старения имени Гленна. «Для C. elegans мы знаем, что, например, передача сигналов инсулина в мозгу или кишечнике животного на самом деле может повлиять на продолжительность жизни всего животного».
Исследователи ранее проанализировали активность более чем 20 000 генов червя в различных условиях в эмбрионах, личинках или целых взрослых червях, но разделение тканей взрослых животных для таких экспериментов было затруднено из-за анатомии червя.. Рэйчел Калецки, научный сотрудник лаборатории Мерфи и соавтор работы, разработала метод выделения определенных тканей. Калецкий, Мерфи и их коллеги впервые использовали этот метод в 2015 году для изучения генов, связанных с памятью, в нейронах. Здесь они применили его для проведения глобального анализа активности или экспрессии генов в четырех основных тканях взрослого червя: мышцах, нейронах, кишечнике и тканях эпидермиса.
«Это действительно позволяет нам уточнять наши гипотезы», - сказал Калецкий. «Теперь мы можем задавать вопросы о том, что происходит в нейронах, например, при целом ряде состояний, влияющих на различные заболевания, или о том, что происходит с возрастом, и мы можем пойти и прямо ответить на эти вопросы».
После отделения клеток от четырех основных тканей червей исследователи выделили и секвенировали матричные РНК клеток, промежуточные молекулы, которые позволяют информации, закодированной в ДНК генов, транслироваться в белки, которые выполняют все основные и более специализированные функции клетки. В любой данной клетке активно экспрессируется только подмножество генов - это означает, что информационная РНК существует только для подмножества генов, которые активны в этой ткани.
Анализ данных РНК выявил различные модели экспрессии генов в каждой ткани. Клетки кишечника, например, экспрессировали высокий уровень генов, связанных с пищеварением, в то время как гены, связанные с обучением и памятью, были сильно экспрессированы в нейронах. Более 5000 генов экспрессировались во всех типах тканей; они были вовлечены в такие универсальные процессы, как метаболизм глюкозы или реакции на стресс.
Сравнение результатов с профилями экспрессии генов человека дало некоторые неожиданные результаты. Например, эпидермис C. elegans не экспрессировал гены, подобные активным в коже человека, как давно предполагали исследователи. Скорее, клетки эпидермиса экспрессировали множество метаболических генов, сравнимых с теми, которые активны в печени человека. «Это то, что могло бы помочь в исследованиях заболеваний органов у людей, используя червей в качестве модели», - сказал Мерфи.
Но как насчет исследования того, какие гены экспрессируются в мышечных клетках головы червя или сенсорных нейронах? Или в его выделительной системе? Чтобы получить картину экспрессии генов в разных типах клеток и стадиях жизни с более высоким разрешением, группа Мерфи работала с Троянской и Викторией Яо, недавно получившими степень доктора философии. студент лаборатории Троянской и соавтор работы.
Команда применила вычислительные методы для анализа данных более чем 4000 общедоступных экспериментов по экспрессии генов C. elegans, включая данные настоящего исследования четырех основных тканей червя. Хотя большинство этих экспериментов проводилось с целыми животными, исследователи разработали подход машинного обучения, чтобы выявить тканеспецифические паттерны. Метод сочетает наборы данных с высокой пропускной способностью с наилучшей доступной информацией из небольших экспериментов, демонстрирующих, что ген экспрессируется в конкретной ткани.
«Мы не сможем полностью охарактеризовать каждый тип маленьких клеток каким-либо удобным способом в ближайшее время», - объяснил Яо.«Идея состоит в том, что все эти наборы данных экспрессии целых червей все еще содержат полезную информацию. Это похоже на то, как все смешано в блендере, но мы можем использовать вычислительные методы, чтобы попытаться определить, какие гены потенциально экспрессируются в каких тканях». Исследователи могут получить доступ к инструменту прогнозирования активности генов на веб-сайте worm.princeton.edu..
В качестве примера команда использовала инструмент прогнозирования для изучения генов, контролируемых CREB, геном, который служит ключевым регулятором как метаболизма, так и долговременной памяти, роль которого в старении изучала лаборатория Мерфи. процессы. Хотя активность CREB в нейронах хорошо известна, это исследование показало, что CREB также регулирует гены в эпидермисе, кишечнике и репродуктивной системе червей.
Мерфи подчеркнул, что статья включает в себя лишь несколько примеров новых открытий, сделанных с помощью данных об экспрессии тканеспецифических генов и инструмента прогнозирования, разработанного командой. «Мы очень надеемся, что люди в сообществе исследователей червей будут использовать это, чтобы найти вещи, о которых мы даже не думали», - сказала она.
Другими соавторами были Эйприл Уильямс, защитившая докторскую диссертацию. по количественной и вычислительной биологии в Принстоне в 2015 г.; Алекси Раннелс, доктор философии по молекулярной биологии 2018 года. выпускник; Алисия Тадыч, научный инженер-программист Института Льюиса-Сиглера; и Шии Чжоу, аспирант кафедры молекулярной биологии.
Работа была частично поддержана Национальным институтом здравоохранения и Фондом медицинских исследований Гленна.