Мультимодальный метод объединяет визуализацию и секвенирование для изучения функций генов в неповреждённой ткани

Представьте, что вы хотите узнать сюжет фильма, но у вас есть доступ только к визуалу или звуку. Визуальные материалы дадут вам только диалоги, а звук — только действие. Понимание биологии может быть похожим.

Измерение одного вида данных, например, экспрессии генов, может быть информативным, но оно отражает только один аспект многогранной истории. Для понимания многих биологических процессов и механизмов заболеваний необходимо объединить данные разных типов.

Для этого исследователи из Института Уайтхеда при Biomedical Research и Гарвардского университета разработали Perturb-Multimodal (Perturb-Multi) — мощный новый подход, который одновременно измеряет, как генетические изменения, такие как отключение отдельных генов, влияют на экспрессию генов и клеточную структуру в неповреждённой ткани печени.

Этот метод, описанный в журнале Cell 12 июня, направлен на ускорение открытия механизмов, с помощью которых гены контролируют работу органов и развитие заболеваний.

Исследовательская группа под руководством члена Института Уайтхеда Джонатана Вайсмана и аспиранта в его лаборатории Рубена Сондерса, а также профессора естественных наук в Гарвардском университете Сяовэя Чжуанга и постдокторанта в её лаборатории Уилла Аллена создала систему, которая может тестировать сотни различных генетических модификаций в печени одной мыши, одновременно собирая данные разных типов из одних и тех же клеток.

«Понимание того, как работают наши органы, требует одновременного рассмотрения многих различных аспектов клеточной биологии», — говорит Сондерс. «С помощью Perturb-Multi мы можем увидеть, как отключение определённых генов изменяет не только активность других генов, но и распределение белков внутри клеток, организацию клеточных структур и расположение клеток в ткани. Это похоже на использование нескольких специализированных микроскопов, сфокусированных на одном эксперименте».

Традиционные генетические исследования на мышах часто включают отключение одного гена и наблюдение за изменениями в его отсутствие, чтобы узнать, что делает этот ген. Исследователи разработали свой подход так, чтобы отключать сотни различных генов в одной печени, при этом отключая только один ген в каждой клетке — используя так называемый мозаичный подход. Это позволило им изучить роль сотен отдельных генов одновременно у одного индивидуума.

Команда применила Perturb-Multi для изучения генетического контроля физиологии и функции печени. Их исследование привело к открытиям в трёх важных аспектах биологии печени: накоплению жира в клетках печени — предшественнику заболеваний печени; стрессовым реакциям; и зональности гепатоцитов (как клетки печени специализируются, приобретая разные признаки и функции в зависимости от их расположения в печени).

Одним из поразительных выводов стало изучение генов, нарушение работы которых вызывает накопление жира в клетках печени. Данные визуализации показали, что четыре разных гена приводили к сходному накоплению жировых капель, но данные секвенирования показали, что они делали это через три совершенно разных механизма.

«Без объединения визуализации и секвенирования мы бы полностью упустили эту сложность», — говорит Сондерс. «Визуализация подсказала нам, какие гены влияют на накопление жира, а секвенирование показало, связано ли это с увеличением производства жира, клеточным стрессом или другими путями. Такие механистические идеи могут иметь решающее значение для разработки целевых методов лечения жировой болезни печени».

Исследователи также обнаружили новые регуляторы зональности клеток печени. Неожиданно выяснилось, что к ним относятся гены, участвующие в модификации внеклеточного матрикса — каркаса между клетками.

«Мы обнаружили, что клетки могут менять свои специализированные функции, не перемещаясь физически в другую зону», — говорит Сондерс. «Это говорит о том, что идентичность клеток печени более гибкая, чем считалось ранее».

Разработка Perturb-Multi потребовала решения нескольких технических задач. Команда создала новые методы сохранения интересующего содержимого в клетках — РНК и белков — во время обработки тканей, для сбора различных типов данных визуализации и данных экспрессии генов отдельных клеток из образцов тканей, зафиксированных консервантом, и для интеграции нескольких типов данных из одних и тех же клеток.

«Преодоление внутренней сложности биологии живых животных потребовало разработки новых инструментов, объединяющих несколько дисциплин, включая, в данном случае, геномику, визуализацию и искусственный интеллект», — говорит Аллен.

Два компонента Perturb-Multi — визуализация и секвенирование — вместе, применяемые к одной и той же ткани, дают представление, недостижимое с помощью любого из этих методов по отдельности.

Исследователи планируют расширить применение Perturb-Multi на другие органы, включая мозг, и изучить, как генетические изменения влияют на работу органов в различных условиях, таких как заболевания или диетические изменения.

Источник

Оставьте комментарий