Google Maps для человеческого тела

10.02.2018

В начале 2016 года Стив МакКэррол заявил, что его команда ииследователей обнаружила ген, который с высокой вероятностью приводит к риску развития шизофрении. Известный как С4, этот ген раньше связывали с иммунной системой, но оказалось, что он каким-то образом влияет на мозг. Чтобы выяснить, как именно, МакКэрролу необходимо было узнать, какие клетки в мозгу активируют С4.

Легче сказать, чем сделать: «Мы не знали с чего начинать», — утверждает он. Его команде пришлось изучить срезы с 700 образцов мозга и пометить их десятками разноцветных антител, которые распознают С4. «Как срезы, так и антитела различались своими особенностями. Понадобилось около года, чтобы получить ответы, которые бы удовлетворили нас. Была проделана огромная и тяжёлая работа».

МакКэррол не одинок в своих стенаниях. Генетики постоянно изучают влияние генов на риск развития заболеваний. Но для того, чтобы гены работали — нужны клетки. А так как 30 триллионов клеток в вашем теле обладают одними и теми же генами, всё что вам нужно знать, так это, как клетки на самом деле используют ген, о котором идёт речь. Где находятся эти клетки? Когда они работают нормально, и что идёт не так в случае заболевания? Чаще всего без тяжёлой работы, на которую жаловался МакКэрролл, вы получите ответы в духе: мы не знаем; без понятия; и ¯\_(ツ)_/¯.

Без этих ответов, вокруг биомедицинских достижений поднимается огромная шумиха, выдающая желаемое за действительное. С помощью стволовых клеток учёные надеются восстанавливать повреждённые или утраченные ткани, но как нам восстановить нечто, когда мы не знаем из чего оно состоит? С помощью генного редактирования, наподобие CRISPR, мы могли бы извлекать ген болезни из нашего ДНК, но без глубоких познаний особенностей клеток, как мы узнаем, что нужно редактировать?

Клетки — основа наших тел; сцена, на которой гены разыгрывают драмы. Или, проще говоря, «мы не знаем, что такое наши клетки, и мы не знаем самих себя», — утверждает Авив Регев из Broad Institute.

Рассмотрим довольно простой вопрос: «Сколько типов клеток существует в теле? Согласно нескольким страницам введения Национального института здравоохранения США, около 200. Речь идёт о крупных группах клеток: нейроны, клетки сердца, мышечные клетки и так далее. Но если вы зададите этот вопрос иммунологу, то он сообщит вам, что существует по-крайней мене 200 видов иммунных клеток. Спросите об этом же иммунолога, который занимаются Т-клетками, и он назовёт вам ту же цифру, только в этот раз речь будет идти о разновидностях Т-клеток.

Когда я встретился с Регев в 2015, она за 15 минут рассказала о разнообразии клеток в нашем организме. Существует подтипы подтипов подтипов, утверждает она. Сетчатка, по крайней мере, содержит не меньше 100 различных классов нейронов. Чтобы усложнить эту задачу, нужно отметить, что некоторые типы клеток могут трансформироваться в другие. И каждый из подтипов может существовать в различных состояниях, в зависимости от среды, соседей, расположения в тканях и молекул, с которыми он сталкивается.

«Все эти вещи: тип, подтип, состояние, местоположение и трансформация, вы должны знать о них всё», — сказала мне Регев. Она примолкла на секунду и вежливо улыбнулась. Потому что у неё есть план, как это сделать.

В течение несколько лет Регев закладывала основы для создания «Атласа человеческих клеток» — полного изображения наших клеток во всём их ошеломляющем многообразии. В нём будет указан каждый подтип, как они изменяются время от времени, где их можно обнаружить и какими генами они включаются. Так же, как и открытие генома человека, этот проект станет основополагающим средством, к которому биологи неоднократно будут прибегать, даже не задумываясь об этом — это обширный Google Maps для человеческого тела.

Создание такого, мягко говоря, амбициозного проекта было бы невозможно пять лет назад. Но благодаря технологическому прогрессу, Регев и другие исследователи полагают, что время пришло. «Идея бурлила. Я говорила о ней ещё 4 года назад. Тогда эта задумка казалась немного сумасшедшей. Даже сейчас она кажется такой, но теперь она ближе к тому, чтобы воплотиться в реальность. И люди готовы принять её во внимание», — утверждает Сара Тейхман из Wellcome Trust Sanger Institute.

Это отчасти заслуга Регев, которая разработала идею Атласа ещё в 2014 году. Она пользуется большим авторитетом и не только из-за её безграничной энергии и мощного интеллекта. «Авив — одна из самых умных людей, с которыми я когда-то встречалась, но также она проницательна, сострадательна и заботлива», — утверждает Дана Пиир из Колумбийского университета.

На встрече в прошлом июне Регев подметила, что Пиир страдает от болей в спине и исподтишка спросила по электронной почте всё ли с ней в порядке. Затем она написала коллеге, чтобы тот принес Пиир более удобный стол. И это всё во время дебатов в кругу именитых учёных. «Люди, сидящие возле меня, ничего не заметили. Авиве же, находясь в другом конце комнаты, с плохим зрением, это удалось», — говорит Пиир.

13 октября в Лондоне Регев и Тейхман созвали ещё одну встречу среди учёных, которые поддерживают её виденье клеточного атласа. Мероприятие было фактически тихим запуском, но не атласа, а подающего надежды сообщества, которое собирается заняться им.

Они уже получили финансирование от Chan-Zuckeberg Initiative — компанию, которая собирается «вылечить, предотвратить или научиться управлять всеми заболеваниями до конца этого века». «Атлас человеческих клеток станет преобразующей технологией, которая заставит двигаться науку вперёд. Мы более, чем уверены, что это должно случиться, и мы готовы помочь в осуществлении этого, объединившись с присутствующими здесь», — заявил президент CZI Кори Бергмен на встрече.

И как это часто бывает в науке, идея об Атласе родилась в голове у Регев случайно.
Когда учёные изучают клетки, то они, как правило, утрамбовывают их огромные популяции вместе. Получается портрет среднестатистической клетки, но таким образом они избавляются от любого разнообразия в группе. Для того, чтобы увидеть это разнообразие, Регев со своей командой разработали аппаратное и программное обеспечения для изучения единичных клеток. Впервые они испробовали эти инструменты в 2012 году на группе иммунных клеток, называемых «дендритные клетки». Команда учёных изолировала 18 клеток и каталогизировала все гены, которые у них были активны.

«Мы замерли от удивления», — рассказывает она. Оказалось, что у 3 из 18 клеток набор генов различается. То, что было чистым образцом одинаковых клеток оказался двумя различными типами. «Это, если бы мы думали, что все люди в городе носят зелёные рубашки, но оказалось, что некоторые носят синие и желтые».

Она провела это исследование повторное с более 1700 дендритными клетками и обнаружила ещё больше вариаций. Дендритные клетки — охранники организма. Они хватают молекулы, которые несут в себе инфекционную угрозу и представляют их к остальной части иммунной системы на проверку. Но на одни и те же молекулы одни и те же клетки активируют различный набор генов. Некоторые делали это намного раньше, а затем провоцировали аналогичные ответы у своих более апатичных соседей.

Эти эксперименты позволили Регев понять, как она и другие ученые ошибались. «За все эти годы мы вырастили миллионы клеток в одной посуде и думали, что они одинаковы. Мы брали средние значения и говорил: «Клетка! Мы знаем, что это неправильно, но мы работаем с тем, что есть».

Но технологии изменились: стали мощнее и доступнее. В 2012 году изучение 18 дендритных клеток обошлось Регев в тысячи долларов. Но в 2013 году, благодаря использованию робототехники, изучение одной клетки стоит около 10 долларов.

МакКэрроллу, который работает в Broad Institute, удалось ещё сильнее понизить стоимость этих исследований. Он и его команда разработали технологию под названием DropSeq, которая отправляет единичные клетки по узким каналом и изолирует их капельками масла. Каждая масляная «темница» в объеме составляет миллионную часть милилитра и содержит ровно одного заключенного. После того, как клетки отделены, их можно изучать, а ДНК внутри них секвенировать. Аналогичное касается и их РНК — родственную молекулу, отображающую какие гены были активированы.

С помощью DropSeq Регев и МакКэролл могут одновременно изучать сотни тысяч отдельных клеток. И это обойдётся в 6 центов за клетку, что позволяет начать им работу по созданию Атласа человеческих клеток с меньшими затратами. «Авив на самом высшем уровне смогла сделать то, что казалось невозможным, и она подготовила почву за очень короткий период времени. Я не думала, что это можно реализовать так быстро», — утверждает Пиир .

Атлас человеческих клеток — не только академический способ каталогизировать клетки. Он может стать ключом к реализации биомедицинских проектов.

Когда генетики обнаруживают гены, ответственные за заболевания, то они хотят понять, что именно их активирует. Когда иммунологи провоцируют клетки атаковать рак на основе определённых молекул, то им бы хотелось знать какие здоровые клетки в организме, скрывают в себе раковые. Когда учёные мечтают о выращивании новых органов в лаборатории, они должны быть уверены, что созданные им ткани организма соответствуют природным аналогам. 

Атлас человеческих клеток не сможет рассказать нам всё о наших телах, как и открытие генома человека не поведало нам всё о наших генах. Но этот проект может стать фундаментальным способом для многочисленных будущих экспериментов и значительно упростить их. «Подумайте о том, что сделал геном для биологии: мы можем найти гены, которые вызывают болезни и ряд опухолей, а также персонализировать лечение. Я думаю, что Атлас человеческих клеток окажет такое же влияние», — говорит Пиир

Его также смогут применять ученые для того, чтобы закончить свои исследования. Им уже удалось расшифровать бесчисленное количество образцов ДНК из тканей, взятых у людей, больных раком и страдающих другими видами заболеваний. Регев, глядя на эти последовательности, может выяснить с помощью нескольких вычислительных трюков, какие типы клеток содержатся в них.

Она уже пыталась это провернуть с меланомой. «Сейчас мы можем сказать, что у одной опухоли больше злокачественных клеток, а у другой — иммунных. Нам ещё многое предстоит узнать», — говорит она. Это могло бы помочь биологам улучшить классификацию опухолей различных типов, а также разработать более эффективные индивидуальные процедуры.

Скептики могут возразить, что технически Атлас человеческих клеток выглядит неправдоподобно. У проекта "Геном человека" была конечная точка — воссоздать полный геном. Но каталогизировать наши клетки это равносильно тому, что сражаться с Гидрой — вы находите один подтип, а на его место приходят два новых. Регев считает иначе: «Можно ли каждую клетку по своей уникальности сравнить со снежинкой? Я полагаю, что нет. Их можно распределить по группам в определённых категориях».

Задача колоссальная по своим размерам, но ни бесконечная и ни непреодолимая. Или, по крайней мере, Атлас сможет рассказать нам показать её масштабы. Скажем так: сегодня наши познания о клетках похожи на  размытые карты мира с очертаниями континентов и океанов. Атлас человеческих клеток повысит разрешение и покажет положение всех гор и рек, даже если нам не известно об определённой горе или реке.

Регев руководит пилотным проектом, который должен показать, какую ценность может принести Атлас. Она уже сейчас может определить все основные типы известных клеток в сетчатке глаза мыши, и даже обнаружила несколько новых, учитывая насколько хорошо изучены ткани. Сейчас исследовательница занимается опухолями, клетками иммунной системы и кишечника, а также полушариями головного мозга.

Она работает не сама. Многие другие группы ученых заняты аналогичными проектами и используют свои собственные методы для анализа отдельных клеток. Менее масштабные атласы уже в процессе разработки. BRAIN Initiative  — план администрации Обамы по изучению мозга — выбрал перепись типов клеток в качестве своей первоначальной цели. «Отдельные проекты собирают крохотные пазлы одной проблемы. Вопрос лишь в том, как объединить все полученные данные в одну картину», — говорит Ричард Конрой из Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии.

Встреча, состоявшаяся 13 октября 2016 года, — первый шаг. В числе собравшихся исследователей были несколько пионеров одноклеточной  геномики — Пиир, Стивен Квейк из Стэнфордского университета, Стэн Линнерсон из Каролинского института и многие другие учёные, которые в настоящее время поддерживают инициативу Атласа. Вместе они приступили к обсуждению своих целей. Какие органы они должны изучать в первую очередь? Как они получат образцы из таких мест, как поджелудочная железа, которые очень трудно достать? Какие методы они должны использовать? Они обсуждали технологию и тактику. Они обменялись мнениями по поводу препятствий и возможностей. Но главное — они познакомились друг с другом, а это именно то, что хотели Регев и Тейхман.

Цель Атласа «сформировать международное сообщество ученых, которые будут знать друг друга и продолжать работать друг с другом вне рамок самого проекта», — заявил Майк Страттон из института Wellcome Trust Sanger в начале встречи. «Многие из них молоды и их научные перспективы будут формироваться согласной этой инициативе. То, что мы начинаем сегодня — создание новой области биологии человека. Это невероятно воодушевляет».

«Сначала люди скажут, что это невозможно. Но потом, что это было очевидно», — заявляет Тейхман.

Оригинальная статья: The Atlantic

Автор: Эд Ён

Дата: 14 октября 2016