Bioinženýři vyvíjejí algoritmus pro srovnání buněk napříč druhy – s překvapivými výsledky

Vědci vytvořili algoritmus k identifikaci podobných typů buněk z druhů – včetně ryb, myší, plochých červů a hub – které se lišily stovky milionů let a které by mohly pomoci překlenout mezery v našem chápání evoluce.

Buňky jsou stavebními kameny života a jsou přítomny v každém živém tvorovi. Ale jak podobné jsou podle vás vaše buňky myš? Ryba? červ?

Porovnání typů buněk v různých typech napříč stromem života může biologům pomoci pochopit, jak typy buněk vznikly a jak se přizpůsobily funkčním potřebám různých forem života. Toto bylo předmětem rostoucího zájmu o evoluční biologové v posledních letech, protože nová technologie nyní umožňuje sekvenování a identifikaci všech buněk ve všech živých věcech. „Ve vědecké komunitě v zásadě existuje vlna, která klasifikuje všechny typy buněk v různých organismech,“ vysvětlil Bo Wang, odborný asistent bioinženýrství na Stanfordské univerzitě.

V reakci na tuto příležitost vyvinula Wangova laboratoř algoritmus pro připojení podobných typů buněk na evoluční vzdálenosti. Jejich metoda, podrobně popsaná v článku publikovaném 4. května 2021 v eLife, Je navržen k porovnání typů buněk v různých typech.

Ve svém výzkumu tým použil sedm typů k porovnání 21 různých párů a byl schopen identifikovat typy buněk nalezené u všech druhů spolu s jejich podobnostmi a rozdíly.

Porovnejte typy buněk

Podle Alexandra Tarashanského, postgraduálního studenta v oboru bioinženýrství pracujícího ve Wangově laboratoři, vznikla myšlenka vytvořit algoritmus, když Wang jednoho dne vstoupil do laboratoře a zeptal se ho, jestli by mohl analyzovat datové soubory buněčného typu ze dvou různých typů červů, na nichž byly provedeny laboratorní studie. Stejný čas.

„Byl jsem ohromen, jak zjevné jsou rozdíly mezi nimi,“ řekl Tarashansky, který byl hlavním autorem příspěvku a interdisciplinárním spolupracovníkem Stanford Bio-X. Mysleli jsme si, že by měli mít podobné typy buněk, ale když se je pokusíme analyzovat pomocí standardních techniky, metoda je nerozpozná, protože jsou stejné. “

Přemýšlel, jestli jde o problém s technologií, nebo zda jsou typy buněk příliš odlišné na to, aby se mohly shodovat mezi druhy. Pak Tarashansky začal pracovat na algoritmu, aby lépe odpovídal buněčným typům napříč druhy.

„Předpokládám, že chci přirovnat houbu k člověku,“ řekl Tarashansky. „Není úplně jasné, který z genů houby odpovídá jakémukoli lidskému genu, protože s vývojem organismů se geny množí a mění a znovu se opakují. Nyní máte v houbě jeden gen, který může souviset s mnoha geny u lidí. „

Místo toho, aby se pokusili najít genetickou shodu 1: 1, jako předchozí metody párování dat, metoda mapování vědců porovnává jeden gen v houbě se všemi možnými odpovídajícími lidskými geny. Potom algoritmus pokračuje, aby zjistil, který je ten správný.

Tarashansky říká, že pokus o nalezení pouze jednotlivých genových párů omezil vědce, kteří v minulosti hledali mapu buněčných typů. „Myslím, že hlavní inovací je to, že pro dalekosáhlá srovnání bereme v úvahu funkce, které se změnily během stovek milionů let evoluce.“

„Jak můžeme použít stále se vyvíjející geny k rozpoznání stejného typu buňky, který se také u různých druhů neustále mění?“ Řekl Wang, první autor článku. „Evoluce byla chápána pomocí genů a organických vlastností, myslím, že jsme nyní ve vzrušujícím bodě obratu pro přemostění váhy tím, že se podíváme na to, jak se buňky vyvíjejí.“

Naplňte strom života

Pomocí mapovacího přístupu tým objevil řadu konzervovaných genů a rodin buněčných typů napříč druhy.

Tarashansky uvedl, že vrcholem výzkumu bylo, když porovnávali kmenové buňky mezi dvěma velmi odlišnými červy.

„Skutečnost, že jsme našli shodu jedna ku jedné ve skupinách kmenových buněk, byla opravdu vzrušující,“ řekl. „Myslím, že to v zásadě otevřelo mnoho nových a vzrušujících informací o tom, jak se kmenové buňky objevují uvnitř parazitického plochého červa, který infikuje stovky milionů lidí po celém světě.“

Výsledky mapování týmu také naznačují, že existuje silná ochrana vlastností neuronů a svalových buněk od velmi jednoduchých druhů zvířat, jako jsou houby, až po složitější savce, jako jsou myši a lidé.

Wang řekl: „To opravdu naznačuje, že tyto typy buněk vznikly velmi brzy ve vývoji zvířat.“

Nyní, když tým vytvořil nástroj pro srovnání buněk, mohou vědci pokračovat ve shromažďování údajů o různých druzích pro analýzu. Vzhledem k tomu, že je shromažďováno a porovnáváno více souborů dat z více druhů, budou biologové schopni sledovat cestu buněčných typů v různých organismech a zlepší se schopnost rozpoznávat nové typy buněk.

„Kdybyste měli jen houby a pak červy a ztratili jste všechno mezi tím,“ řekl Tarashansky, „je těžké vědět, jak se vyvinuly houbovité typy buněk nebo jak se jejich předkové diverzifikovali na houby a červy.“ „Chceme vyplnit co nejvíce uzlů ve stromu života, abychom mohli usnadnit tento typ evoluční analýzy a přenášet znalosti napříč druhy.“

Odkaz: „Mapování jednobuněčných atlasů v průběhu metazoa odhaluje vývoj buněčného typu“ Autor: Alexander J. Tarashansky, Jacob M. Moser, Margarita Khariton, Penjiang Lee, Detlev Arendt, Stephen R. Kwake, Bo Wang, 4. května 2021, eLife.
DOI: 10,7554 / eLife.66747

Mezi další spoluautory Stanfordu patří postgraduální studenti Margarita Khariton, Bingyang Lee a Stephen Kwik, profesor bioinženýrství Lee Otterson a profesor aplikované fyziky a spolupředseda Chan Zuckerberg Biohub. Další spoluautoři jsou z Evropské laboratoře molekulární biologie a univerzity v Heidelbergu. Wang je také členem Stanford Bio-X a Wu Cai Institute of Neurosciences. Kwik je členem Bio-X, Stanfordského kardiovaskulárního institutu, Stanfordského institutu proti rakovině a Wu Tsai Institute of Neurosciences.

Tento výzkum byl financován společností Stanford Bio-X, cenou Beckman Young Investigator Award a National Institutes of Health. Wang a Kwik budou na této práci stavět v rámci iniciativy Neuro-Omics Initiative financované Wu Tsai Institute of Neuroscience.