Биоинженеры разрабатывают алгоритм для сравнения клеток разных видов — с удивительными результатами.

Исследователи создали алгоритм для определения похожих типов клеток у видов, в том числе рыб, мышей, плоских червей и губок, которые разошлись на протяжении сотен миллионов лет, что может помочь преодолеть пробелы в нашем понимании эволюции.

Клетки — это строительные блоки жизни, и они присутствуют в каждом живом существе. Но насколько, по вашему мнению, ваши клетки похожи на мышь? Рыбы? червь?

Сравнение различных типов клеток на древе жизни может помочь биологам понять, как произошли типы клеток и как они адаптировались к функциональным потребностям различных форм жизни. В последние годы это стало предметом растущего интереса биологов-эволюционистов, потому что теперь новая технология позволяет секвенировать и идентифицировать все клетки всех живых существ. «В научном сообществе существует волна классификации всех типов клеток в различных организмах», — пояснил Бо Ван, доцент кафедры биоинженерии в Стэнфордском университете.

В ответ на эту возможность лаборатория Ванга разработала алгоритм для соединения схожих типов клеток на разных эволюционных расстояниях. Их метод подробно описан в статье, опубликованной 4 мая 2021 г. электронная жизнь, Предназначен для сравнения типов ячеек в разных типах.

В своем исследовании команда использовала семь типов для сравнения 21 различных пар и смогла определить типы клеток, обнаруженные у всех видов, а также их сходства и различия.

Сравнить типы ячеек

По словам Александра Тарашанского, аспиранта по биоинженерии, работающего в лаборатории Вана, идея создать алгоритм пришла, когда Ван однажды вошел в лабораторию и спросил его, может ли он проанализировать наборы данных клеточного типа от двух разных типов червей, на которых проводились лабораторные исследования. В то же время.

«Я был поражен тем, насколько очевидны различия между ними», — сказал Тарашанский, ведущий автор статьи и междисциплинарный научный сотрудник Stanford Bio-X. Мы думали, что у них должны быть похожие типы клеток, но когда мы попытаемся проанализировать их, используя стандартные методы, метод не распознает их, поскольку Они одинаковы «.

Он задавался вопросом, была ли это проблема в технологии или типы клеток слишком разные, чтобы их можно было сопоставить между видами. Затем Тарашанский начал работать над алгоритмом, чтобы лучше сопоставить типы клеток разных видов.

«Допустим, я хочу сравнить губку с человеком», — сказал Тарашанский. «На самом деле не совсем ясно, какой из генов губки соответствует какому-либо гену человека, потому что с эволюцией организмов гены размножаются, изменяются и повторяются снова. Теперь у вас есть один ген в губке, который может быть связан со многими генами человека. «

Вместо того, чтобы пытаться найти однозначное генетическое соответствие, как в предыдущих методах сопоставления данных, метод картирования исследователей сопоставляет один ген в губке со всеми возможными соответствующими генами человека. Затем алгоритм переходит к поиску правильного.

Тарашанский говорит, что попытки найти только отдельные пары генов ограничивали стремление ученых картировать типы клеток в прошлом. «Я думаю, что главным нововведением здесь является то, что мы принимаем во внимание особенности, которые изменились за сотни миллионов лет эволюции, для далеко идущих сравнений».

«Как мы можем использовать постоянно развивающиеся гены, чтобы распознать один и тот же тип клеток, который также постоянно меняется у разных видов?» Саид Ван, первый автор статьи. «Эволюция была понята с использованием генов и органических признаков, я думаю, что сейчас мы находимся в захватывающей поворотной точке для преодоления масштабов, глядя на то, как эволюционируют клетки».

Наполните древо жизни

Используя подход к картированию, команда обнаружила ряд консервативных генов и семейств типов клеток у разных видов.

По словам Тарашанского, изюминкой исследования стало сравнение стволовых клеток двух очень разных типов плоских червей.

«Тот факт, что мы обнаружили однозначное совпадение в кластерах стволовых клеток, был действительно захватывающим», — сказал он. «Я думаю, что в основном это открыло много новой и захватывающей информации о том, как стволовые клетки появляются внутри паразитического плоского червя, заражающего сотни миллионов людей во всем мире».

Результаты составления карты также показывают, что существует надежная защита свойств нейронов и мышечных клеток от очень простых видов животных, таких как губки, до более сложных млекопитающих, таких как мыши и люди.

Ван сказал: «Это действительно указывает на то, что эти типы клеток возникли очень рано в эволюции животных».

Теперь, когда команда создала инструмент сравнения клеток, исследователи могут продолжить сбор данных о различных видах для анализа. По мере сбора и сравнения большего количества наборов данных по большему количеству видов биологи смогут проследить путь типов клеток в разных организмах, а способность распознавать новые типы клеток улучшится.

«Если бы у вас были только губки, а затем черви, и вы потеряли все, что между ними», — сказал Тарашанский, — «трудно понять, как развивались типы губчатых клеток или как их предки превратились в губок и червей». «Мы хотим заполнить как можно больше узлов на дереве жизни, чтобы мы могли облегчить этот тип эволюционного анализа и передавать знания между видами».

Ссылка: «Картирование атласов отдельных клеток в Metazoa показывает эволюцию типов клеток» Авторы: Александр Тарашанский, Джейкоб М. Мозер, Маргарита Харитон, Пенцзян Ли, Детлев Арендт, Стивен Р. Куике, Бо Ван, 4 мая 2021 г., электронная жизнь.
DOI: 10.7554 / eLife.66747

Среди других соавторов Стэнфордского университета — аспиранты Маргарита Харитон, Бингян Ли и Стивен Квик, профессор биоинженерии Ли Оттерсон и профессор прикладной физики и сопредседатель Chan Zuckerberg Biohub. Другие соавторы из Европейской лаборатории молекулярной биологии и Гейдельбергского университета. Ван также является членом Стэнфордского Bio-X и Института нейронаук У Цая. Квик является членом Bio-X, Стэнфордского института сердечно-сосудистых заболеваний, Стэнфордского института рака и Института неврологии Ву Цай.

Это исследование финансировалось Stanford Bio-X, премией Beckman Young Investigator Award и Национальными институтами здравоохранения. Ван и Квик продолжат эту работу в рамках нейроомической инициативы, финансируемой Институтом нейробиологии Ву Цай.