Οι άτλαντες κυττάρων αποκαλύπτουν τα όρια της βιολογίας

Ο Nir Hacohen, ανοσολόγος και γενετιστής στο Broad Institute του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης και του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, γνώριζε ότι η βιολογία είχε πρόβλημα. Ήθελε να κατανοήσει τον ρόλο της ανθρώπινης ανοσολογικής απόκρισης στον καρκίνο και άλλες ασθένειες. Αλλά για να το κάνει αυτό, έπρεπε πρώτα να αντιμετωπίσει ένα πιο θεμελιώδες ζήτημα:Ο ορισμός των ίδιων των τύπων των ανοσοποιητικών κυττάρων φαινόταν ανεπαρκής, ατελής και ξεπερασμένος.

Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι διακρίσεις μεταξύ των τύπων κυττάρων βασίζονταν στον τρόπο εμφάνισης τους στο μικροσκόπιο:τα σχήματά τους, τα μεγέθη, τις τοποθεσίες τους και την πρόσληψη χρωστικών χρωμάτων. Τις τελευταίες δεκαετίες, ωστόσο, έγινε μάρτυρας μιας στροφής σε μοριακές μεθόδους που χρησιμοποιούν αντισώματα επισημασμένα με φθορισμό για τη στόχευση πρωτεϊνικών δεικτών στην επιφάνεια του κυττάρου. Αν και αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στους ερευνητές να απομονώσουν περισσότερους τύπους κυττάρων, δεν ήταν αρκετή, σύμφωνα με τον Hacohen. Μέχρι το 2009, οι βιολόγοι μπορούσαν να αναλύσουν κύτταρα μόνο χύμα, λαμβάνοντας κατά μέσο όρο τα σήματα από πολλά από αυτά για να πάρουν μια εικόνα του τι συνέβαινε σε έναν ιστό. Όταν επιτέλους έγινε δυνατός ο προσδιορισμός της αλληλουχίας του RNA από μεμονωμένα κύτταρα, οι αρχικές αναλύσεις ήταν αυτό που ο Hacohen ονόμασε «προκατειλημμένο» και «ρηχό» επειδή οι λίγοι δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση των κυττάρων ήταν πολύ αναίσθητοι στις αποχρώσεις των διαφορών μεταξύ τους. «Αποτυπώνει πραγματικά την πολυπλοκότητα του κυττάρου;» είπε ο Hacohen.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Science Τον περασμένο Απρίλιο, αυτός και η ομάδα του έδειξαν ότι, όπως ήταν αναμενόμενο, μεγάλο μέρος αυτής της πολυπλοκότητας είχε συγκαλυφθεί. Αναλύοντας τα πρότυπα γονιδιακής έκφρασης σε μεμονωμένα κύτταρα του ανθρώπινου ανοσοποιητικού συστήματος, οι ερευνητές βελτίωσαν τους ορισμούς των τύπων που είναι γνωστά ως δενδριτικά κύτταρα και μονοκύτταρα και εντόπισαν έναν νέο τύπο που είχε παραβλεφθεί. Επιπλέον, ανακάλυψαν ότι ένας κυτταρικός πληθυσμός που πιστεύεται ότι περιλαμβάνει έναν υποτύπο ήταν στην πραγματικότητα ένα μείγμα δύο, που εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες.

Το έργο του Hacohen αντιπροσωπεύει ένα στοιχείο ενός πολύ μεγαλύτερου έργου. Τον περασμένο Οκτώβριο, μια διεθνής κοινότητα ερευνητών με επικεφαλής τον Aviv Regev του Broad Institute και τη Sarah Teichmann του Wellcome Trust Sanger Institute ξεκίνησε τον Άτλαντα Ανθρώπινων Κυττάρων για να εφαρμόσει αυτό το είδος μοντελοποίησης σε ολόκληρο το σώμα. Στοχεύει στην καταγραφή όχι μόνο τύπων κυττάρων —που προβλέπεται να εκτείνονται πολύ πέρα ​​από τους 200 τύπους που αναφέρονται συχνότερα στα σχολικά βιβλία— αλλά και τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των τύπων κυττάρων υπό διαφορετικές συνθήκες και σε άτομα με διαφορετικές γενετικές και επιγενετικές παραλλαγές. Αυτή η γνώση είναι σημαντική γιατί θα παρείχε μια πιο ολοκληρωμένη επισκόπηση της δυναμικής πολυπλοκότητας της ζωής. Οι υπότυποι των ανοσοκυττάρων μπορεί να μετατοπιστούν σε κάποιον που έχει λοίμωξη ή αλλεργία ή αυτοάνοση νόσο, για παράδειγμα. ή μπορεί να διαφέρουν για διαφορετικές ομάδες πληθυσμού.

«Αυτό δεν είναι συγκρίσιμο με το έργο του ανθρώπινου γονιδιώματος», είπε ο Hacohen. «Αυτό ήταν ένα αρκετά καλά προδιαγεγραμμένο πρόβλημα. Εδώ το πρόβλημα είναι πολύ πιο δύσκολο και κατά μία έννοια περιλαμβάνει πολλή βιολογία.»

Ο Άτλας των Ανθρώπινων Κυττάρων είναι μόνο ένα από τα πολλά έργα στη μοριακή και κυτταρική βιολογία που θέλει να συνθέσει τεράστιες ποσότητες δεδομένων για να αποκτήσει βαθύτερες γνώσεις σχετικά με το πόσο διαφορετικά είναι πραγματικά τα κύτταρα στο σώμα μας και πόσο πολύπλοκη είναι η ζωή. Το 2003, ερευνητές στο Βασιλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας KTH, στη Σουηδία, κυκλοφόρησαν τον Άτλαντα Ανθρώπινων Πρωτεϊνών, ο οποίος στοχεύει στην πλήρη καταγραφή της έκφρασης, της θέσης και της χωρικής κατανομής των πρωτεϊνών σε μεμονωμένα κύτταρα. Μόνο τα τελευταία χρόνια τα μέλη του έργου μπόρεσαν να αρχίσουν να ταξινομούν, να σχολιάζουν και να αναλύουν τα εκατομμύρια των εικόνων που είχαν συλλάβει από υποκυτταρικές δομές σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Για να φτάσουν σε αυτό το σημείο, έπρεπε πρώτα να περάσουν μια δεκαετία τυποποιώντας, βελτιστοποιώντας και κλιμακώνοντας τις διαδικασίες τους, οι οποίες περιελάμβαναν τη χρήση στοχευμένων αντισωμάτων για τη χρώση πρωτεϊνών και στη συνέχεια την αναζήτηση αυτών των δεικτών μέσα σε υγιή και καρκινικά κύτταρα ιστών με μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης.

Τον Ιανουάριο του 2015, η ομάδα χάραξε την έκφραση πρωτεΐνης σε περισσότερους από 30 ανθρώπινους ιστούς. Τον περασμένο Μάιο, δημοσίευσαν το δεύτερο μέρος του εγχειρήματός τους στο Science. Στρέφοντας την προσοχή τους στο επίπεδο ενός κυττάρου, χαρτογράφησαν περισσότερες από 12.000 πρωτεΐνες σε 30 υποκυτταρικές δομές, ορίζοντας με τη σειρά τους τα πρωτεώματα - τα πλήρη σύνολα εκφραζόμενων πρωτεϊνών - περισσότερων από δώδεκα βασικών οργανιδίων. Οι ερευνητές εντόπισαν ποιες πρωτεΐνες βρέθηκαν πού, διερεύνησαν παραλλαγές στην έκφραση πρωτεΐνης από κύτταρο σε κύτταρο και ανέλυσαν πώς τα κύτταρα διαχωρίζουν τις χημικές αντιδράσεις μέσα τους.

Ένα από τα πιο σημαντικά ευρήματα της εφημερίδας, σύμφωνα με την κύρια ερευνήτριά της, την Emma Lundberg, ήταν ότι οι μισές από τις πρωτεΐνες μας μπορούν να βρεθούν σε πολλαπλά διαμερίσματα ενός κυττάρου. «Ό,τι κάνουν οι πρωτεΐνες είναι συγκεκριμένο στο πλαίσιο του περιβάλλοντος τους», είπε ο Lundberg. "Εάν μια πρωτεΐνη υπάρχει στον πυρήνα αλλά και στη πλασματική μεμβράνη, μπορεί να έχει διαφορετικές λειτουργίες σε αυτά τα διαμερίσματα."

Πάρτε το HER2, μια πρωτεΐνη υποδοχέα που συχνά υπερεκφράζεται σε ορισμένους καρκίνους του μαστού. Όταν βρίσκεται σε κυτταρικές μεμβράνες όγκου, το HER2 συσχετίζεται με καλύτερη πρόγνωση από ότι όταν βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα ή στον πυρήνα. «Υπάρχουν ολοένα και περισσότερες μελέτες για μεμονωμένες πρωτεΐνες που δείχνουν ότι αυτό είναι στην πραγματικότητα ένα κοινό φαινόμενο», είπε ο Lundberg. "Αλλά είναι η κλίμακα του", πρόσθεσε, αυτό είναι το πιο συναρπαστικό.

Το 50 τοις εκατό των πρωτεϊνών που παρατήρησε η ομάδα της εκφραζόταν σε περισσότερα από ένα μέρη ενός κυττάρου. Εάν αυτό το σχήμα υποδεικνύει πόσο μεγάλη θα μπορούσε να είναι η πολυλειτουργικότητα, είπε ο Lundberg, "κάνει το κύτταρο πολύ πιο περίπλοκο και τη λειτουργικότητα του πρωτεώματος μεγαλύτερη."

Αυτή η ετερογένεια προσφέρει βαθύτερες γνώσεις για τις βασικές αρχές της πρωτεϊνικής λειτουργίας, αλλά μπορεί επίσης να εξηγήσει γιατί, για παράδειγμα, ορισμένα φάρμακα έχουν ανεπιθύμητες παρενέργειες.

Μια άλλη ομάδα επιστημόνων, που ελπίζουν να δημοσιεύσουν την εργασία τους το φθινόπωρο, χαρτογράφησαν την κατανομή των πρωτεϊνών στους κυτταρικούς τύπους των όρχεων - το σπίτι του μεγαλύτερου αριθμού μοναδικά εκφραζόμενων γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Με αυτόν τον τρόπο, επαναταξινομούν τους υποτύπους κυττάρων που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια της σπερματογένεσης. «Πολλά πράγματα συμβαίνουν σε αυτά τα κύτταρα πριν ωριμάσουν», δήλωσε η Cecilia Lindskog Bergström από το Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία, η οποία συνεργάζεται στην έρευνα. "Οι πρωτεΐνες που εκφράζονται σε ένα συγκεκριμένο υποστάδιο της ανάπτυξης του σπέρματος θα πουν περισσότερα για τη λειτουργία αυτών των πρωτεϊνών."

Αυτός ο δυναμικός τρόπος ορισμού του κυτταρικού τύπου είναι αυτό που ο Hacohen προσπάθησε να καθορίσει περαιτέρω στη μελέτη του για τα κύτταρα του αίματος. Στα ευρήματα που ανέφερε τον Μάιο, ο Άτλαντας Ανθρώπινων Πρωτεϊνών άρχισε να δείχνει γιατί αυτές οι βελτιώσεις μπορεί να είναι απαραίτητες. Η ομάδα παρατήρησε ότι περίπου το 15 τοις εκατό των πρωτεϊνών εμφάνιζαν μονοκύτταρα παραλλαγή:Σε έναν ιστό που φαινόταν επιφανειακά ομοιόμορφος, ορισμένα κύτταρα μπορεί να διαφέρουν από τα γειτονικά τους ως προς την ποσότητα ή τη χωρική κατανομή των πρωτεϊνών που εξέφραζαν, όταν θα περίμενε κανείς να είναι το ίδιο. Η προσέγγιση αλληλουχίας μονοκυττάρου RNA του Άτλαντα Ανθρώπινου Κυττάρου θα επιτρέψει στους ερευνητές να δημιουργήσουν προφίλ κυττάρων με βάση μόρια άλλα από πρωτεΐνες.

«Στο παρελθόν, συνήθως κοιτάζαμε έναν ιστό ή ένα όργανο με τον τρόπο που θα έβλεπες ένα smoothie», είπε ο Bart Deplancke, μηχανικός βιολογικών συστημάτων στην École Polytechnique Fédérale de Lausanne στην Ελβετία. Με βάση το συνολικό χρώμα και τη γεύση του, θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι ένα smoothie αποτελείται από φράουλες και μπανάνες. Αλλά αυτός ο τρόπος να το δεις μπορεί να παραλείπει τα βασικά συστατικά και να φαίνεται σαν όλα τα μέρη του smoothie να είναι πανομοιότυπα. Με τις σύγχρονες τεχνικές, είπε ο Deplancke, μπορούν να κάνουν την ανάλυση ιστού που ισοδυναμεί με το να κοιτάξουν ένα smoothie και να πουν:«Βλέπω αυτά τα διαφορετικά κομμάτια φρούτων». Και μπορούν να δουν πώς αυτή η πλήρης ποικιλία τύπων κυττάρων κάνει ένα λειτουργικό όργανο. Ομοίως, μπορούν να μάθουν πώς το πλήρες φάσμα των κυττάρων που εμπλέκονται σε καρκίνους και άλλες ασθένειες σχετίζεται με την πρόγνωση και την ανάρρωση.

Ο Deplancke είναι ένας από τους τρεις ερευνητές που έχουν αρχίσει να οργανώνουν το Fly Cell Atlas, ο οποίος επιδιώκει να χαρακτηρίσει όλους τους τύπους κυττάρων στο Drosophila μύγες φρούτων. Το Ινστιτούτο Άλεν στο Σιάτλ εργάζεται προς μια παρόμοια κατανόηση του εγκεφάλου του ποντικιού. Και οι δύο ελπίζουν να εφαρμόσουν τα ευρήματά τους για να εξηγήσουν την ανθρώπινη συμπεριφορά και ασθένειες, όπως ακριβώς κάνει ο Άτλαντας των Ανθρώπινων Κυττάρων. Τελικά, η ενσωμάτωση των τεράστιων συνόλων δεδομένων που δημιουργούνται από αυτούς τους διαφορετικούς άτλαντες μπορεί να αποδειχθεί η μεγαλύτερη πρόκληση από όλες - αλλά, ελπίζουν οι ερευνητές, θα είναι επίσης η πιο ικανοποιητική, συνδυάζοντας δομικές, γονιδιωματικές και επιγενετικές προσεγγίσεις κάτω από την ομπρέλα ενός νέου είδους χαρτογραφικής εξερεύνησης .