Новые клеточные атласы раскрывают невиданное разнообразие в мозге и за его пределами.

Недавние попытки составить карту каждой клетки человеческого организма поразили исследователей невообразимым разнообразием: только в человеческом мозге насчитывается множество тысяч клеток, отличающихся друг от друга по незначительности. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

В XVI веке бельгийский картограф Абрахам Ортелиус создал первый в мире современный атлас — сборник карт, который он назвал «Театр мира». Карты, составленные Ортелиусом и другими, подробно описывали то, что на тот момент было лучшими знаниями о континентах, городах, горах, реках, озерах и океанах мира, и способствовали формированию нового понимания глобальной географии.

Аналогичным образом, создание клеточных атласов — карт органов и тел, построенных поклеточно, — знаменует собой новую эру в нашем понимании биологии. Мощные технологии секвенирования и визуализации, изобретенные за последнее десятилетие, позволяют с беспрецедентной детализацией изучать состав человеческих органов и тканей, от поджелудочной железы и печени до плаценты, а также органов и тканей других животных, таких как мышь и плодовая муха. С помощью этих новых инструментов исследователи могут определять «идентификацию» отдельных клеток на основе экспрессируемых ими генов. Эта информация выявила тонкие и неожиданные различия между клетками и начала прояснять, насколько разнообразие типов клеток может быть важно для здорового функционирования органов.

«Мы достигли удивительного этапа в развитии науки, когда теперь можем понимать состав этих типов клеток», — сказал Стив Куэйк, биоинженер и биофизик из Стэнфордского университета, который помог разработать технологии, сделавшие возможным создание клеточных атласов. «Это изменило наше понимание того, как работает биология человека».

Результаты двух исследований клеточных атласов, являющихся частью проекта Национальных институтов здравоохранения по изучению клеток головного мозга стоимостью 250 миллионов долларов, недавно были опубликованы и демонстрируют нарастающий интерес к этой области. Сегодня в журнале Nature группа лабораторий опубликовала девять исследований, которые в совокупности образуют подробный атлас головного мозга мыши — самый полный на сегодняшний день атлас головного мозга млекопитающих. В нем описано более 5300 типов клеток, обнаруженных по всему органу. Распределение этих клеток и их взаимосвязь друг с другом наводят на множество интригующих идей об эволюции головного мозга млекопитающих.

В прошлом месяце, в рамках еще одного важного вклада в проект клеточного атласа, глобальная сеть сотрудников опубликовала в журналах Science серию статей, документирующих невероятное клеточное разнообразие и сложность человеческого мозга. Это не полный атлас, поскольку ученые составили профили только образцов клеток по всему органу. Тем не менее, он представляет собой самую подробную карту человеческого мозга из когда-либо созданных.

Благодаря этой работе стало ясно, что человеческий мозг содержит по меньшей мере 3300 различных типов нейронов, каждый из которых экспрессирует свой набор генов, что указывает на то, что эти клетки могут выполнять целый ряд несколько отличающихся функций. Большая часть этого разнообразия, как оказалось, сосредоточена в менее изученных и более древних с эволюционной точки зрения областях мозга.

Этот атлас клеток человеческого мозга — всего лишь предварительная версия. По мере того, как ученые продолжают подсчитывать и классифицировать каждую клетку мозга, они, вероятно, идентифицируют тысячи дополнительных типов клеток.

Определение местоположения и описание разнообразия клеток — это лишь первый шаг. Затем ученым необходимо выяснить, какие функции выполняют клетки и как они взаимодействуют друг с другом. По этой причине Квейк и другие работают над объединением карт клеток со всего человеческого тела в полный атлас человеческих клеток: целостную справочную карту человека, которая могла бы помочь выявить, какие именно клетки в каких тканях дают сбой, вызывая различные заболевания. По словам исследователей, знакомых с ходом работы, первый вариант этого атласа, вероятно, будет опубликован примерно через два года.

Хотя пока еще рано делать выводы, ученые предсказывают, что эти карты ответят на фундаментальные вопросы о клетках, их функционировании и изменениях на протяжении жизни организма. «В каком-то смысле это своего рода акт веры, почти такой же, как и проект «Геном человека», — сказал Майкл Анджело, доцент кафедры патологии Стэнфордского университета. Однако, «это вполне оправданный акт веры».

Уникальное выражение клетки

Еще несколько лет назад, основываясь на анализе наших тканей под микроскопом, большинство исследователей считали, что приблизительно 36 триллионов клеток в организме взрослого человека можно разделить всего на несколько сотен различных типов: три типа мышечных клеток, эпителиальные и фибробластные клетки кожи, различные типы нейронов нервной системы, эндотелиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды, и так далее. Но успехи проекта «Геном человека» побудили исследователей глубже изучить клеточный состав на генетическом уровне.

Различия в наших клетках обусловлены не различиями в самих генах: каждая клетка вашего тела содержит копию вашей уникальной ДНК и 20 000 генов, кодирующих белки, которые она производит. «Геном — это список компонентов, — сказал Куэйк. — Невозможно предсказать, какие типы клеток получатся из данного генома».

Чтобы отличить лейкоцит от мышечной клетки на молекулярном уровне, ученым необходимо изучить РНК клетки. Транскрипты РНК, копируемые из последовательностей ДНК, передают инструкции по построению белков рибосоме — центру построения белков в клетке. Таким образом, транскрипты РНК содержат информацию о том, какие гены активны и экспрессируются в конкретной клетке.

Используя мощный набор инструментов одноклеточной геномики, ученые могут считывать эти паттерны экспрессии, чтобы идентифицировать клетку по ее «отпечатку пальца». За последние несколько лет эти инструменты значительно усовершенствовались, и теперь ученые могут быстро и эффективно исследовать десятки тысяч или даже миллионы клеток в одном эксперименте.

«Как только это было сделано, ничто не мешало вам создать атлас», — сказал Куэйк. «Всё как-то само собой сложилось».

Начали появляться многочисленные клеточные атласы. Ученые начали с изучения экспрессии генов в отдельных клетках модельных организмов, таких как плодовые мушки и мыши. С тех пор они перешли к изучению человека. За последний год в авторитетных научных журналах были опубликованы карты кровеносных сосудов, опухолей, плаценты, почек и кишечника, а также других тканей. Многие из этих атласов не только определяли идентичность клеток, но и точно указывали местоположение этих клеток в тканях — информация, имеющая решающее значение для понимания того, какие клетки могут быть вовлечены в развитие заболевания.

«Объемы собираемых данных поражают воображение», — сказала Элизабет Риа, научный сотрудник-профессор Вашингтонского университета, не участвующая ни в каких проектах по созданию клеточных атласов. Она отметила, как быстро развиваются технологии: 12 лет назад, будучи аспиранткой в Университете Вандербильта, Риа изучала экспрессию одного-единственного гена в развивающемся мозге и печени мыши. Теперь же, по ее словам, «мы можем делать это для каждого гена, экспрессирующегося в каждой клетке в пределах определенного участка ткани».

С каждым новым атласом клеток исследователям приходилось сталкиваться с тем, сколько сложностей они упускали из виду раньше. По словам Анджело, при просмотре данных ему иногда казалось, что он смотрит бесконечно зацикленные видеоролики с фракталами. «Вы продолжаете приближать изображение», и узор продолжается бесконечно; чем больше вы обнаруживаете, тем больше понимаете, что еще многое предстоит обнаружить. «Многое из этого довольно сложно».

Это подтвердилось на примере многих человеческих органов, особенно мозга.

Потрясающее разнообразие

Сложность строения и функционирования человеческого мозга ограничивает наши возможности его понимания. Его 86 миллиардов нейронов — это крошечные искры, оживляющие мысли, восприятия, чувства и важные функции всего организма. Фабиан Тейс, директор Центра вычислительной медицины в Мюнхенском университете имени Гельмгольца, который работает над несколькими проектами по созданию атласов, но не принимал участия в создании атласа мозга, вспоминает слова одного из коллег о том, что мозг — это как отдельный организм. «Это как 100 органов, объединенных в один», — сказал он.

Клаудия Додж, доцент кафедры патологии и клеточной биологии Колумбийского университета, поддержала эту точку зрения. «Чтобы разобраться в этом огромном беспорядке, нужно собрать много людей», — сказала она.

Доэге изучает гипоталамус — древний и важнейший отдел мозга, который эволюционировал для контроля основных функций организма, таких как температура тела, частота сердечных сокращений и чувство голода. В 2020 году ее пригласили помочь в интерпретации данных атласа мозга, собранных из тканей гипоталамуса — редкая возможность исследовать этот редко изучаемый отдел мозга.

Это была «колоссальная задача», — сказала Ханна Гловер, научный сотрудник лаборатории Доеге. Периодически ругаясь на свой компьютер, Гловер потратила месяцы, просматривая литературу и справочные атласы, чтобы идентифицировать гены, экспрессирующиеся в разных областях мозга, и сравнивать их с генами, обнаруженными в недавно проанализированном гипоталамусе.

Анализ выявил «чрезвычайно высокое разнообразие», — сказал Доге. Они идентифицировали более 350 различных популяций нейронов и 19 популяций ненейронных клеток из 10 различных областей гипоталамуса.

Другие исследовательские группы, работающие над переписью клеток головного мозга, подтвердили это. Ребекка Ходж, научный сотрудник Института исследований мозга имени Аллена в Сиэтле, соавтор нескольких новых статей в журнале Science, также обнаружила, что большинство типов клеток расположены в эволюционно древних частях мозга.

«Это было одно из первых описаний такого огромного клеточного разнообразия за пределами коры головного мозга», — сказал Ходж, имея в виду широко изучаемую область мозга, где происходят такие высшие функции, как критическое мышление. «Вероятно, это лишь верхушка айсберга того, какое именно клеточное разнообразие там существует».

В головном мозге исследователи обнаружили более 3300 различных типов нейронов — и это, безусловно, неполное описание. В самом полном на сегодняшний день атласе мозга мыши, опубликованном сегодня, идентифицировано 5300 типов клеток, включая как нейроны, так и глиальные клетки. В проекте отсутствуют данные о количестве клеток в некоторых областях, таких как продолговатый мозг. Тем не менее, исследователи считают, что полное количество типов клеток в человеческом мозге, когда оно будет составлено, скорее всего, будет аналогичным.

«Мы считаем, что в человеческом мозге, вероятно, не намного больше типов клеток, чем в мозге мыши», — сказала Хункуи Цзэн, директор Института нейронаук имени Аллена, которая руководила работой по созданию атласа клеток мозга мыши. Исследователи уже сравнили наборы данных атласа мозга двух видов, и, основываясь на том, что она видела, Цзэн оценивает количество типов клеток в человеческом мозге «вероятно, где-то от 5000 до 10000».

Исследование мозга мышей не просто перечисляет типы клеток: оно также помещает эти клетки в контекст соответствующей области мозга, создавая своего рода навигационный атлас. На основе этой дополнительной информации о положении клеток исследователи сделали новые, захватывающие выводы.

Они обнаружили, что, как и в человеческом мозге, более древние области мозга мыши, такие как гипоталамус и миндалевидное тело, содержат большую часть его клеточного разнообразия. Однако эти различные типы клеток тесно связаны друг с другом и имеют относительно мало различий. В отличие от них, более эволюционно новые области мозга, такие как мозжечок и таламус, содержат меньше типов клеток в целом. Но их типы клеток сильно отличаются друг от друга, и каждая область мозга содержит уникальные для себя типы клеток.

Авторы выдвинули гипотезу, что поскольку древний гипоталамус выполняет основные функции, критически важные для поддержания жизни, такие как метаболизм, дыхание и размножение, он был эволюционно ограничен. У него было больше времени для эволюции, что привело к появлению большего количества типов клеток, но клетки не могли слишком сильно отклоняться от своего базового типа. «Сети хорошо сформированы, и каждое изменение может поставить под угрозу жизнь животного», — сказал Цзэн.

С другой стороны, более молодые области мозга, такие как кора головного мозга, выполняют такие функции, как познание и эмоции, которые помогают животным адаптироваться к новой среде и вызовам, сказала она. Эти менее ограниченные области мозга смогли эволюционировать быстрее и дальше, что привело к появлению типов клеток мозга, характерных для этих областей.

Результаты исследований мозга мыши предвосхищают открытия, которые, вероятно, сделают ученые после завершения работы над атласом человеческого мозга. Уже сейчас исследования на людях предоставляют «фундаментальные факты об эволюции мозга, о которых никто раньше не знал», — сказал Томас Населарис, доцент Университета Миннесоты, не участвующий в работе над атласом. «Никто не имеет ни малейшего представления о том, что эти новые факты значат для эволюции человеческого познания. Но это очень фундаментальные факты, о которых никто не знал, поэтому они, вероятно, окажутся важными».

В конечном итоге исследователи планируют использовать клеточные данные, полученные с помощью этих новых карт мозга, в качестве ориентира для улучшения лечения неврологических расстройств. «Я считаю, что одним из важнейших аспектов создания этих атласов является то, что они обеспечивают базовый уровень или ориентир для понимания того, как происходят изменения в контексте заболевания», — сказал Ходж.

Например, несмотря на десятилетия исследований, ученые до сих пор точно не знают, что вызывает болезнь Альцгеймера. Возможно, наше понимание этого заболевания сдерживается слишком упрощенной картой строения мозга. Специфика клеточного атласа могла бы сделать исследования и лекарства более точными и эффективными.

Мост к полному телу

Результаты, полученные на основе одного лишь атласа клеток головного мозга, поражают воображение. Но стоит задуматься о том, что другие атласы клеток выявляют схожие тенденции. В разных органах исследователи обнаруживают гораздо большее разнообразие типов клеток, чем ожидали. Эти открытия позволяют предположить, что здоровое функционирование тканей часто зависит от правильного сочетания клеток, выполняющих несколько разные функции. Таким образом, каждый отдельный атлас клеток открывает практически неисчислимые новые возможности для понимания той или иной области тела и всех возможных нарушений в ней.

У некоторых исследователей более масштабная цель: они хотят объединить все карты, чтобы создать то, что Розер Венто-Тормо, руководитель группы клеточной генетики в Институте Велкома Сангера, сравнила с «Google Maps» человеческого тела.

Подобно биологической версии проекта Ортелиуса, проект «Атлас человеческих клеток» работает над созданием карты, охватывающей все 36 триллионов клеток человеческого организма, путем объединения эталонных карт, предоставленных учеными со всего мира. Основанный в 2016 году, проект в настоящее время насчитывает более 2300 участников и крупных спонсоров, таких как Национальные институты здравоохранения и Европейский союз, а также множество других научных и частных групп.

Первая версия атласа человеческих клеток уже совсем скоро будет представлена: по словам Венто-Тормо, работа над ней должна завершиться примерно через два года. Вряд ли она будет включать профили всех типов человеческих клеток. Как и первые географические атласы или первый опубликованный геном человека, первый атлас человеческих клеток будет неполным на момент публикации, но планируется его неоднократное обновление. «Мы находимся в самом начале», — сказал Венто-Тормо.

В будущих клеточных атласах, вероятно, также будет более глубоко изучаться идентичность клеток. Большинство клеточных карт рассматривают только матричную РНК, которая, по словам Квейка, «даже не единственный тип РНК в клетке». Более того, экспрессируемый ген не обязательно означает наличие в клетке определенного белка. По словам Реи, одной из будущих целей является сбор данных о том, какие белки и другие молекулярные продукты присутствуют в отдельных клетках.

Даже после завершения первой полной карты человеческих клеток работа не будет закончена. Центральная цель проекта «Атлас человеческих клеток» — представить весь спектр человеческого разнообразия, для чего потребуется множество образцов из популяций по всему миру, чтобы полностью составить карту нашего клеточного разнообразия. Эти образцы должны учитывать множество факторов разнообразия: пол, возраст, происхождение, состояние здоровья и многое другое.

Предстоящая сложная работа не может затмить восторг исследователей по поводу нынешних атласов. «Будет очень интересно посмотреть, что из всего этого получится в ближайшие два-три года», — сказал Анджело. Уже первые издания этих атласов показывают, как много нам еще предстоит узнать об основах биологии, а также поднимают совершенно новые вопросы — явные признаки начала новой научной революции.

«Мы, безусловно, многому научимся благодаря этим усилиям, — сказал Населарис. — Мы просто не знаем, чему именно научимся, потому что нам не хватает базовых фактов, необходимых даже для формулирования большинства важных вопросов». Подобно первым атласам географов, в которых отсутствовали реки, горы, а иногда и целые страны, эти атласы — это предварительные наброски того, что нас ждет в будущем.

Источник: www.quantamagazine.org