211service.com
Kartograf komórek
Aviv Regev pomógł w pionierskiej genomice jednokomórkowej. Teraz kieruje ogromnym wysiłkiem mapowania bilionów komórek w ludzkim ciele. Biologia już nigdy nie będzie taka sama. 22 sierpnia 2018
W październiku ubiegłego roku Aviv Regev przemawiał na spotkaniu międzynarodowych naukowców w izraelskim Instytucie Nauki Weizmanna. Dla Regeva, biologa komputerowego i systemowego z Broad Institute of MIT i Harvardu, spotkanie było swego rodzaju powrotem do domu. Regev uzyskała tytuł doktora na pobliskim Uniwersytecie w Tel Awiwie w 2002 roku. Teraz, 15 lat później, wróciła, aby omówić jeden z najbardziej ambitnych projektów w historii biologii.
Projekt, Atlas Komórek Ludzkich, ma na celu stworzenie mapy referencyjnej, która kategoryzuje wszystkie około 37 bilionów komórek, z których składa się człowiek. Atlas komórek ludzkich jest często porównywany do Projektu Ludzkiego Genomu, monumentalnej współpracy naukowej, która dała nam pełny odczyt ludzkiego DNA lub czegoś, co można by uznać za nieskróconą książkę kucharską dotyczącą ludzkiego życia. Atlas jest w pewnym sensie kontynuacją pracy tego projektu. Ale chociaż ta sama książka kucharska DNA znajduje się w każdej komórce, każdy typ komórki odczytuje tylko niektóre przepisy — to znaczy, że wyraża tylko niektóre geny, postępując zgodnie z instrukcjami DNA, aby wytworzyć białka, które wykonują czynności komórki. Obietnicą Atlasu Komórek Ludzkich jest ujawnienie, które konkretnie geny są wyrażane w każdym typie komórek i gdzie można znaleźć komórki wyrażające te geny.
Rozmawiając ze swoimi kolegami na spotkaniu w Izraelu, Regev, która wraz z Sarah Teichmann z Wellcome Trust Sanger Institute przewodniczy Komitetowi Organizacyjnemu Atlasu Komórek Ludzkich, wykazał się postawą rzeczową, jakiej można się spodziewać po kimś na czele ogromnego przedsięwzięcia naukowego . Projekt trwał od roku, a Regev, profesor biologii z MIT, który jest także przewodniczącym wydziału Broad i dyrektorem programu Obserwatorium Komórek Klarman i Obwodów Komórkowych, przeglądał niedawno opublikowaną białą księgę szczegółowo opisującą, w jaki sposób ludzki Oczekuje się, że Cell Atlas zmieni sposób, w jaki diagnozujemy, monitorujemy i leczymy choroby.
Gdy Regev przedzierała się przez białą księgę, możliwości zaczęły wydawać się prawie nieskończone. Na najbardziej podstawowym poziomie, jako mapa referencyjna wyszczególniająca geny wyrażane przez każdy inny typ zdrowej komórki, Atlas Komórek Ludzkich ułatwi identyfikację nieprawidłowej ekspresji genów i sygnalizacji w przypadku choroby. Ta sama mapa może również pomóc twórcom leków uniknąć toksycznych skutków ubocznych: badacze celujący w gen, który jest szkodliwy w jednej części ciała, wiedzieliby, czy ten sam gen odgrywa istotną rolę w innej. A ponieważ oczekuje się, że atlas ujawni wiele nowych typów komórek, może również zwiększyć czułość standardowego badania krwi, które po prostu zlicza różne podzbiory komórek odpornościowych. Podobnie, przyjrzenie się pojedynczym komórkom jelitowym może dostarczyć nowych informacji na temat konkretnych komórek odpowiedzialnych za stany zapalne i alergie pokarmowe. A lepsze zrozumienie typów neuronów może mieć daleko idące implikacje dla nauki o mózgu.
Obraz mysich komórek siatkówki, w tym nowatorski typ zidentyfikowany przez laboratorium — hybryda dwóch wcześniej znanych typów. Dzięki uprzejmości Irene Whitney
Ostateczny produkt, jak mówi Regev, będzie ni mniej ni więcej tylko układem okresowym naszych komórek, narzędziem, które nie ma odpowiadać na jedno konkretne pytanie, ale umożliwiać niezliczone nowe odkrycia. Eric Lander, dyrektor założyciel i prezes Broad Institute oraz członek Komitetu Organizacyjnego Atlasu Komórek Ludzkich, porównuje to do genomiki. Ludzie myśleli na początku, że mogą wykorzystać genomikę do tego lub innego zastosowania, mówi. Nic nie nie zostało przekształcone przez genomikę i nic nie nie zostanie przekształcone przez posiadanie atlasu komórkowego.
Obwody komórkowe
Zainteresowanie Regev komórkami zaczęło się na uniwersytecie w Tel Awiwie, gdzie była jedną z zaledwie 15 studentów uczestniczących w wysoce selektywnym programie, który dawał im swobodę uczęszczania na kursy na wysokim poziomie z dowolnego przedmiotu. Mógłbyś zacząć swój pierwszy dzień jako student pierwszego roku i zdecydować się na studia magisterskie z nauk politycznych, mówi.
Regev w pierwszym semestrze wzięła udział w zajęciach z genetyki i wciągnęła się w obliczeniowe wyzwanie polegające na znalezieniu porządku w złożonych, wzajemnie połączonych sieciach białek i genów w każdej komórce. Zajęła się tym tematem w swojej pracy doktorskiej, charakteryzując żywe systemy za pomocą matematycznego języka zaprojektowanego do opisu procesów komputerowych. Kiedy ukończyła doktorat w 2002 roku, została przyjęta do programu w Harvard Bauer Center for Genomics Research, który pozwolił jej założyć własne laboratorium bez wcześniejszego szkolenia jako postdoc.
Niedługo potem Lander, który rozpoczął własną karierę jako matematyk po studiach z teorii kodowania algebraicznego i matematyki kombinatorycznej w Oksfordzie, szukał gwiazdorskiego talentu dla nowo utworzonego Broad Institute, którego misją jest wykorzystanie genomiki do badania chorób ludzi i pomóc w postępie leczenia. Po raz pierwszy spotkał Regeva podczas lunchu w Bauer Center, podczas którego stypendyści na zmianę opowiadali o swoich badaniach przez pięć do dziesięciu minut. Zanim dotarliśmy do stołu, napisałem „Zatrudnij Aviva Regeva”, wspomina.
Przekonany przez Landera do dołączenia do Broad po wielu filiżankach herbaty w Cafe Algiers na Harvard Square, Regev kontynuował stosowanie metod obliczeniowych do badania zadziwiająco skomplikowanej maszynerii komórki. Pojedyncza komórka składa się z milionów cząsteczek, które są w ciągłej rozmowie, ponieważ współpracują ze sobą, aby wykonać wszystkie czynności, które komórki muszą zrobić: dzielić, rosnąć, naprawiać wewnętrzne uszkodzenia i, w przypadku komórek odpornościowych, sygnalizować innym komórkom zagrożenia. Wewnątrz jądra DNA jest transkrybowany na RNA. To z kolei daje początek białkom, cząsteczkom, które działają wewnątrz komórki. Tymczasem białka na powierzchni komórki nieustannie odbierają wiadomości molekularne z zewnątrz — glukoza jest dostępna, przybył najeźdźca. Muszą one zostać przekazane z powrotem do białek w jądrze, które zareagują transkrypcją innego DNA, dając początek nowym białkom i jeszcze większej liczbie sieci sygnałowych.
Każda komórka to eksperyment.
Buck Squibb
To jak złożony komputer, który składa się z wielu, wielu różnych części, które wchodzą ze sobą w interakcje i mówią sobie nawzajem, co mają robić, mówi Regev. Białkowe sieci sygnalizacyjne są jak obwody – i można myśleć o komórce prawie jak o schemacie elektrycznym, mówi. Jednak wykorzystanie podejść obliczeniowych do zrozumienia ich aktywności wymaga najpierw zebrania ogromnej ilości danych, co Regev od dawna robił poprzez sekwencjonowanie RNA. W przeciwieństwie do sekwencjonowania DNA, jak mówi, może ona powiedzieć jej, które geny faktycznie ulegają ekspresji, dzięki czemu oferuje znacznie bardziej dynamiczny obraz komórki w akcji. Ale samo zsekwencjonowanie RNA komórek, które bada, może jej powiedzieć tylko tyle. Aby zrozumieć, jak obwody zmieniają się w różnych okolicznościach, Regev poddaje komórki różnym bodźcom, takim jak hormony lub patogeny, aby zobaczyć, jak zmieniają się sygnały białkowe.
Następnie przychodzi to, co nazywa etapem modelowania — tworzenie algorytmów, które próbują rozszyfrować najbardziej prawdopodobną sekwencję zdarzeń molekularnych po bodźcu. I tak jak ktoś może badać komputer, wycinając obwody i sprawdzając, jak to zmienia działanie maszyny, Regev testuje swój model, sprawdzając, czy może przewidzieć, co się stanie, gdy uciszy określone geny, a następnie wystawi komórki na ten sam bodziec.
W badaniu z 2009 r. Regev i jej zespół zbadali, w jaki sposób narażenie na molekularne składniki patogenów, takich jak bakterie, wirusy lub grzyby, wpływa na obwody komórek dendrytycznych układu odpornościowego. Zwróciła się do techniki znanej jako interferencja RNA (teraz używa CRISPR), która pozwoliła jej systematycznie wyłączać geny. Następnie przyjrzała się, które geny uległy ekspresji, aby określić, jak zmieniła się odpowiedź komórek w każdym przypadku. Jej zespół wyróżnił 100 różnych genów, które były zaangażowane w regulację odpowiedzi na patogeny – z których niektóre nie były wcześniej znane jako zaangażowane w funkcje odpornościowe. Badanie opublikowane w Nauka , generowane nagłówki. Ale według długoletniej koleżanki Dany Pe'er, obecnie przewodniczącej biologii obliczeniowej i systemowej w Instytucie Sloan Kettering w Memorial Sloan Kettering Cancer Center i członkini Komitetu Organizacyjnego Atlasu Komórek Ludzkich, tym, co naprawdę wyróżnia Regev, jest elegancja jej Praca. Regev, mówi Pe’er, ma rzadką, wrodzoną zdolność widzenia złożonej biologii, upraszczania jej i formalizowania w piękne, abstrakcyjne, dające się opisać zasady.
Od koktajli do sałatek owocowych
W biurze Regeva w Broad Institute jest wiele pustych kubków po kawie, ale bardzo niewiele w zakresie dekoracji. Do swojej nauki podchodzi z biznesową skutecznością. Jest wielu genialnych ludzi, mówi Lander. Jest genialną osobą, która potrafi załatwić sprawy.
Na szybko zmieniającej się arenie genomiki (2015 w mojej dziedzinie jest uważany za historię starożytną, mówi) jest znana z tego, że w pełni wykorzystuje najnowsze innowacje i pomaga pobudzić kolejne. Przez lata ona i inni w tej dziedzinie zmagali się z brudnym sekretem sekwencjonowania RNA: chociaż jego obietnicą zawsze była precyzja – moc poznania dokładnego kodu – techniki dawały wyniki, które były niespecyficzne. Każda komórka ma tylko znikomą ilość RNA. Do celów sekwencjonowania RNA z milionów komórek musiało zostać połączone razem. Masowe sekwencjonowanie RNA pozostawiło badaczom coś, co porównuje do smoothie. Po zmieszaniu nie ma sposobu, aby odróżnić wszystkie owoce – lub w tym przypadku RNA od poszczególnych komórek – które do niego trafiły. To, czego potrzebowali badacze, to coś w rodzaju sałatki owocowej, sposób na oddzielenie wszystkich jagód, malin i jeżyn.
W 2011 roku, współpracując z kolegą z Broad Institute, Joshuą Levinem, doktorem '92, i doktorem Alexem Shalek, obecnie w Instytucie Inżynierii Medycznej i Nauki MIT oraz Rahul Satija, obecnie w New York Genome Center, Regev zdołał uzyskać wystarczającą ilość RNA z pojedynczą komórkę, aby ją zsekwencjonować. Aby przetestować metodę, zsekwencjonowali 18 pojedynczych komórek dendrytycznych ze szpiku kostnego myszy. Wszystkie komórki uzyskano w ten sam sposób i oczekiwano, że będą tego samego typu. Ale ku zdumieniu naukowców ekspresjonowały różne geny i można je było podzielić na dwa różne podtypy. To było jak odkrycie, że koktajl, który pijesz od lat, zawiera składniki, o których nigdy nie wiedziałeś.
Regev i jej koledzy nie byli jedynymi, którzy zastanawiali się, jak zsekwencjonować pojedynczą komórkę z taką czułością, ani nie byli pierwszymi, którzy odnieśli sukces. Inne laboratoria dokonywały podobnych postępów mniej więcej w tym samym czasie, przy czym każde z nich korzystało z własnej technologii i algorytmów. Wszyscy mieli ten sam problem: izolowanie i ekstrahowanie wystarczającej ilości RNA z poszczególnych komórek było czasochłonne i kosztowne. Regev i jej koledzy wydali wiele tysięcy dolarów na sekwencjonowanie tylko 18 komórek. Jeśli ciało było pełne rzadkich, nieodkrytych komórek, znalezienie ich zajmie niezwykle dużo czasu.
Zespół Regeva wszechstronnie scharakteryzował dwubiegunowe komórki pręcikowe (turkusowy) i stożkowe (pomarańczowy) w siatkówce myszy za pomocą Drop-Seq, technologii, którą pomogli wynaleźć. Dzięki uprzejmości Irene Whitney
Przeskocz o siedem lat do przodu, a koszt sekwencjonowania jednokomórkowego RNA obniży się do zaledwie groszy na komórkę. Krytycznym przełomem był Drop-Seq, nowa technologia opracowana przez naukowców z Harvardu i Broad Institute, w tym Regev i członków jej laboratorium. Urządzenie osadza poszczególne komórki w wyraźne kropelki oleju za pomocą maleńkiej kulki z kodem kreskowym. Kiedy komórka zostaje rozerwana do sekwencjonowania, część jej RNA przyłącza się do kulki w swojej kropelce. Pozwala to naukowcom analizować tysiące naraz bez pomieszania ich materiału genetycznego.
Teoria komórek 2.0
Kiedy około 180 lat temu niemieccy naukowcy po raz pierwszy zaproponowali teorię komórki, trudno było pojąć, że nasze tkanki są zbudowane z pojedynczych jednostek elementarnych, jak opisał komórki Theodor Schwann, jeden z dwóch naukowców, którym przypisuje się tę teorię. Ale wkrótce stało się to centralnym założeniem biologii, a przez dziesięciolecia i stulecia komórki zaczęły ujawniać swoje sekrety. Ulepszone mikroskopy; stały się dostępne nowe techniki barwienia i sortowania. Z każdym postępem możliwe stały się nowe wyróżnienia. Komórki mięśniowe można było odróżnić od neuronów, a następnie ponownie sklasyfikować jako komórki mięśni gładkich lub szkieletowych. Okazało się, że wszystkie komórki są zasadniczo podobne, ale występują w różnych formach, które mają różne właściwości.
Do XXI wieku zidentyfikowano od 200 do 300 głównych typów komórek. I chociaż biolodzy od dawna zrozumieli, że prawdziwa liczba typów komórek musi być wyższa, zakres ich różnorodności dopiero teraz staje się w pełni skoncentrowany, w dużej mierze dzięki sekwencjonowaniu jednokomórkowego RNA. Regev mówi, że sam układ odpornościowy można teraz podzielić na ponad 200 typów komórek i że nawet nasze siatkówki mają 100 lub więcej różnych typów neuronów. Ona i jej koledzy odkryli kilka z nich.
Pomysł, że wiedza o naszych komórkach może prowadzić do przełomów w medycynie, nie jest już hipotetyczna. Sekwencjonując RNA poszczególnych komórek rakowych w ostatnich latach — każda komórka jest teraz eksperymentem — mówi — odkryła niezwykłe różnice między komórkami jednego guza, nawet jeśli mają te same mutacje. (W zeszłym roku te prace doprowadziły do powstania Memorial Sloan Kettering Nagroda Paula Marksa za badania nad rakiem .) Odkryła, że chociaż uważa się, że niektóre nowotwory rozwijają oporność na terapię, podzbiór komórek czerniaka był oporny od samego początku. Odkryła, że dwa rodzaje raka mózgu, skąpodrzewiak i gwiaździak, zawierają te same rakowe komórki macierzyste, co może mieć ważne implikacje dla sposobu ich leczenia.
Jak mogliśmy sobie wyobrazić, że rozwiążemy problem bez rozwiązania pojedynczej komórki?
Regev również pracowicie mapował komórki z układu odpornościowego, mózgu, jelit i innych. Nie jest sama. Inne laboratoria rozpoczęły własne projekty mapowania, z których każdy zajmuje się inną częścią ciała. W zeszłym roku naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego podjęli próbę sklasyfikowania każdego typu komórki w mikroskopijnym robaku C. elegans . Każda dziedzina biologii mówi: „Oczywiście musimy przyjrzeć się rozdzielczości pojedynczej komórki” – mówi Lander. Jak mogliśmy sobie wyobrazić, że rozwiążemy problem bez rozwiązania pojedynczej komórki?
Ekscytacja w tej dziedzinie stała się namacalna, gdy odkryto więcej nowych typów komórek. A jednak Regev zdał sobie sprawę, że jeśli celem była wszechstronna wiedza, podejście musiało być skoordynowane. Gdyby każde laboratorium polegało na własnych technikach, trudno byłoby ujednolicić narzędzia obliczeniowe i wynikowe dane. Nowe badania wytwarzały bardzo ładne przebłyski światła, mówi Regev – coś tutaj, coś tam. Chciała jednak mieć pewność, że te odkrycia mogą być powiązane.
Regev zaczął opowiadać się za stworzeniem czegoś bardziej ujednoliconego: mapy, która pozwoliłaby naukowcom na wykresy ekspresji genów i typów komórek w całym ciele. Sarah Teichmann myślała w ten sam sposób. Kiedy pod koniec 2015 roku skontaktowała się z Regevem w sprawie możliwości połączenia sił, Regev natychmiast powiedział „tak”.
Mapy Google dla naszych komórek
Atlas komórek ludzkich to efekt współpracy setek biologów, technologów i inżynierów oprogramowania na całym świecie. Wyniki sekwencjonowania jednokomórkowego RNA zostaną połączone z innymi punktami danych, aby zapewnić kompleksowy katalog wszystkich komórek ludzkich.
Ale wielu zaangażowanych badaczy nie będzie po prostu kompilować arkuszy kalkulacyjnych zawierających różne typy komórek. Atlas pokaże również, gdzie znajdują się komórki w ciele, ile ich jest, jakie mogą przybierać formy, a nawet historię rozwoju różnych typów komórek w miarę różnicowania się z komórkami macierzystymi. A wszystko to będzie dostępne za pośrednictwem platformy do koordynacji danych i bogatego interfejsu wizualnego, który Regev porównuje z Google Maps. Umożliwi to użytkownikom zbliżenie do poziomu molekularnego naszych komórek, ale ważne będzie również zbliżenie do poziomu tkanek i narządów. Jak zauważył komitet organizacyjny projektu w przeglądzie Atlasu Komórek Ludzkich z 2017 r., atlas jest mapą, która ma na celu pokazanie relacji między jego elementami. Podobnie jak odpowiednie linie brzegowe widoczne w atlasie Ziemi dostarczają wizualnych dowodów dryfu kontynentów, zebranie wszystkich danych o naszych komórkach w jednym miejscu może ujawnić związki między komórkami, tkankami i narządami, w tym niektóre zupełnie nieoczekiwane. I tak jak układ okresowy pierwiastków umożliwił przewidzenie istnienia pierwiastków, których jeszcze nie zaobserwowano, tak Atlas Komórek Ludzkich, mówi Regev, może pomóc nam przewidzieć istnienie komórek, których nie znaleziono.
Ciało rzęskowe (u góry po lewej) na krawędzi siatkówki myszy (u góry po prawej) może być punktem wejścia dla komórek odpornościowych reagujących na uszkodzenie neuronów w siatkówce. Dzięki uprzejmości Irene Whitney i Grace Burgin
Plan nie polega na sekwencjonowaniu wszystkich 37 bilionów komórek, ale na pobraniu próbek z każdej części ciała. Gdy Regev opowiada o projekcie, jej entuzjazm jest ewidentny, wykopuje slajd, aby zademonstrować, jak efektywne może być pobieranie próbek. Slajd, początkowo tylko pusta biała ramka, zaczyna się zapełniać, piksel po pikselu, plamkami koloru niebieskiego i żółtego. Wkrótce, mimo że wiele pikseli nie zostało jeszcze wypełnionych, obraz na ekranie jest nie do pomylenia: to obraz Van Gogha. Gwieździsta noc . Podobnie, wyjaśnia Regev, Atlas Komórek Ludzkich może dać pełny obraz, nawet jeśli nie każda komórka została zsekwencjonowana.
Aby przeprowadzić sekwencjonowanie, Regev i Teichmann przyjęli i zrekrutowali ekspertów w każdym innym typie tkanki. Choć oczekuje się, że zajmie to lata, projekt szybko się rozwija dzięki takim sponsorom, jak NIH, UE, Wellcome Trust, Manton Foundation i Inicjatywa Chana Zuckerberga , który zobowiązał się wydać 3 miliardy dolarów na walkę z chorobami w ciągu następnej dekady; Tylko w tym roku sfinansuje 85 grantów na Atlas Komórek Ludzkich. Wczesne wyniki już napływają. W marcu szwedzcy naukowcy pracujący nad komórkami związanymi z rozwojem człowieka ogłosili, że zsekwencjonowali 250 000 pojedynczych komórek. W maju zespół z Broad udostępnił na stronie podglądu zestaw danych zawierający ponad 500 000 komórek odpornościowych. Celem, jak mówi Regev, jest umożliwienie naukowcom na całym świecie korzystania z platformy open source Atlasu Komórek Ludzkich do przeprowadzania wspólnych analiz.
Zanim atlas stanie się rzeczywistością, czeka nas wiele wyzwań. Należy opracować nowe oprogramowanie wizualizacyjne. Sekwencjonowanie i podejścia obliczeniowe będą musiały zostać ujednolicone w ogromnej liczbie laboratoriów. Należy przepracować kwestie koncepcyjne, takie jak to, co odróżnia jeden typ komórki od drugiego. Jednak społeczności stojącej za Atlasem Komórek Ludzkich — w tym ponad 800 osób w czerwcu — nie brakuje motywacji.
Jedno z ostatnich badań Regeva, opublikowane w sierpniu w Natura , jest prawdopodobnie najlepszym przykładem tego, jak projekt może zmienić biologię. Podczas mapowania komórek płuc laboratorium Regev i Jay Rajagopal w Massachusetts General Hospital znalazło nowy, bardzo rzadki typ komórek, który przede wszystkim wyraża gen związany z mukowiscydozą. Regev uważa teraz, że te rzadkie komórki prawdopodobnie odgrywają kluczową rolę w chorobie. Co jeszcze bardziej zaskakujące, naukowcy sądzili wcześniej, że inny typ komórki wyraża gen.
Wyobraź sobie, że ktoś chciałby zrobić terapię genową, mówi Regev. Musisz naprawić gen, ale musisz go naprawić we właściwej komórce. Atlas komórek ludzkich może pomóc naukowcom zidentyfikować właściwą komórkę i zrozumieć, w jaki sposób dany gen jest regulowany przez niezwykle skomplikowane sieci molekularne tej komórki.
Dla Regeva znaczenie Atlasu Komórek Ludzkich wykracza poza obietnicę zrewolucjonizowania biologii i medycyny. Jak to kiedyś ujęła, bez atlasu naszych komórek tak naprawdę nie wiemy, z czego jesteśmy stworzeni.