Ученые отображают регуляторный ландшафт генома мыши при разрешении одной ячейки

        

Ученые завершили крупную попытку наметить регуляторный ландшафт генома мыши с разрешением одной ячейки.

Команда применила специальный анализ, который они ранее разработали для профилирования геномной функции, называемой доступностью хроматина.

Исследователи были заинтересованы в том, как намотка, обертывание и упаковка ДНК на то, что называется хроматином, влияет на то, какая генетическая информация становится доступной, чтобы действовать в каждой отдельной клетке. ДНК подобна бусинам на веревке. Пространства, где молекулярные «бусины» перемещаются так, чтобы белки могли получить доступ и «прочитать» генетическую информацию. Это состояние – доступность хроматина.

В исследовании было проанализировано почти сто тысяч отдельных клеток из 13 взрослых мужских тканей мыши. Ткани были: костный мозг, толстая кишка, сердце, почка, печень, легкие, тонкая кишка, селезенка, семенники, тимус, весь мозг и мозжечок и префронтальная кора мозга.

Ученые наблюдали 85 различных образцов доступности хроматина и могли назначать большинство из них конкретным типам клеток. Они также каталогизировали более четырехсот тысяч возможных регуляторных элементов. В общем, исследователи смогли идентифицировать кластеры клеток с похожими хроматинными ландшафтами, а затем исследовать этот кластер, чтобы выбрать различные типы клеток.

Они сказали, что качество их данных является переменным, в значительной степени зависящим от типа ткани. Данные были самого низкого качества в клетках-предшественниках сперматозоидов в семенниках, потому что ДНК упакована по-разному в этих репродуктивных клетках.

Данные, полученные в этом атласе, могут способствовать пониманию путей развития и формирования клеточных линий. Например, исследователи могут использовать этот ресурс, чтобы понять, как изменяется хроматин, поскольку незрелые кроветворные клетки превращаются в зрелые клетки крови с определенными ролями.

Этот одноклеточный атлас доступности хроматина, по мнению исследователей, является частью постоянных усилий лабораторий во всем мире для составления всеобъемлющего атласа типов клеток для людей, мышей и других видов. Шендуре, Трапнелл и сотрудничающие лаборатории создали связанные атласы для разработки червей и мух.

Методы и выводы опубликованы 2 августа в журнале Cell .

Старшими авторами исследования были Коул Трпнелл и Джей Шендур, оба преподавателя факультета наук о геноме в Школе медицины Университета Вашингтона, а также сотрудники Центра раскрытия клеточной линии Пола Дж. Аллена и Бротмана Батыйский институт прецизионной медицины в Сиэтле. Шендур также является исследователем медицинского института Ховарда Хьюза.

Даррен А. Кусанович, бывший докторант, и Эндрю Дж. Хилл, аспирант, оба работающие в лаборатории Шендура, возглавили исследование. Кусанович и его коллеги разработали протоколы для анализа комбинаторных индексов с одной ячейкой, критические для этого исследования.

«Эта одноклеточная технология измеряет, как геном организован в отдельных клетках и как регулируются гены», – сказал Кусанович, теперь ассистент профессора в Университете Аризоны. Другие генетические исследования, отметил Хилл, показали, что большинство генетических вариантов, лежащих в основе распространенных заболеваний, попадают в некодирующие области генома, где происходит управление генной активностью

«Эти сигналы, – сказал Шендур, – иногда оказываются в центре нигде. Ученые не имеют инструментов для определения того, какие гены они регулируют. Эти данные помогают нам понять нормативные правила в разных типах клеток. «

«Исследования, подобные этому, дают представление о том, как сложные организмы могут иметь такое невероятное разнообразие типов клеток, содержащих один и тот же ссылочный геном», – сказал Хилл.

Trapnell объяснил, что в большинстве предыдущих исследований применены геномные методы для тканей или образцов, состоящих из многих типов клеток. Однако усреднение по многим различным типам ячеек может скрыть то, что происходит в отдельных типах клеток.

«Нам интересны геномные свойства клеток на уровне отдельных клеток», – сказал он. Он добавил, что большинство исследований в этой области посвящено вопросу о том, включено или выключено выражение определенных генов в клетках, а реже – почему и как активируются, настраиваются или замолкли гены.

Исследователи использовали полученные данные для определения того, какие части генома «открыты» в разных типах клеток и какие гены регулируют эти элементы. Затем они пересекли этот атлас с результатами исследований генома человека, которые раскрывают генетические варианты с возможными связями с болезнями.

Исследователи смогли внедрить типы клеток, которые играют роль во многих распространенных человеческих расстройствах и особенностях, несмотря на то, что данные атласа клеток поступают от мышей, а не людей.

Например, наследуемость для болезни Альцгеймера не обогащалась ни в одном классе клеток мозга, известном как нейроны, а вместо этого была наиболее сильно обогащена микроглиями, которые защищают нервную систему. Напротив, самые сильные обогащения наследуемости при биполярном расстройстве были в возбуждающих нейронах

. Другие черты, изученные таким образом, включали аутоиммунные состояния, высокие уровни липидов, недостатки иммуноглобулина, размер и состав тела, астму, сенной лихорадкой, сердечные приступы, подагру и множество других состояний или характеристик.

Связанная работа под руководством исследователей UW Medicine, опубликованная 2 августа в Molecular Cell представляет Cicero, алгоритм, названный в честь римского оратора. Этот алгоритм помогает в определении грамматики регуляции генов. Этот метод вписывается в данные о доступности моноцитарных хроматинов и связывает регуляторные элементы ДНК с генами, которых они нацеливают

Программное обеспечение, написанное Ханной Пилнер, аспирантом в лабораториях Trapnell и Shendure, определяет, как тысячи регуляторных элементов организуют экспрессию генов в развитии мышечных клеток.

Ученые использовали Цицерон для мышиного атласа для построения карты возможных связей между регуляторными элементами в каждом типе клеток. Надежда состоит в том, что такое сопоставление покажет, как миллионы регуляторных последовательностей ДНК в геноме контролируют, как клетки выполняют свои специализированные функции.

Производство атласа клеток человека является сложной задачей из-за огромного количества клеток в организме и многих различных типов клеток, которые, как считается, существуют в течение жизни человека. Средний взрослый человек содержит приблизительно 37 триллионов клеток, которые различаются по типу, численности и состоянию развития.

Однако прогресс, подобный описанному в этих статьях, может помочь в создании человеческого клеточного атласа. Исследователи отметили, что то, что когда-то было трудоемким для достижения нескольких типов клеток, теперь можно сделать с разрешением одной ячейки всего за несколько месяцев.

В отличие от человека, у домашней мыши, по-видимому, всего лишь около 10 миллиардов клеток в организме (примерно на 0,02% больше, чем в организме человека). Люди и мыши расходились с общим предком около 75 миллионов лет назад.

Несмотря на генетические изменения, которые произошли с тех пор, мышь дает много подсказок для здоровья и болезней человека. Из-за эволюционных отношений атлас клеток мыши будет способствовать пониманию того, как возникло появление млекопитающих, в том числе человеческих, клеток

Источник:

https://newsroom.uw.edu/news/genome-regulation-cell-type-cataloged-mouse-single-cell-level

      

Source link