בעשור האחרון היה עניין משמעותי בחקר הביטוי של הקוד הגנטי שלנו לרמה של תאים בודדים, כדי לזהות את הפונקציות והפעילויות של כל תא דרך בריאות או מחלה.
זהותו של תא, והאופן בו זהות יכולה להשתבש, היא קריטית לתפקידו ברבים מהאתגרים הבריאותיים הגדולים ביותר העומדים בפנינו, כולל סרטן, התנוונות עצבית או הפרעות גנטיות והתפתחותיות. התקרבות לתאים בודדים מאפשרת לנו להבין את ההבדל בין גרסאות שאחרת יאבדו בממוצע של אזור. זה חיוני למציאת פתרונות רפואיים חדשים למחלות.
מרבית הניסויים בביטוי גנים יחידים תאים עושים שימוש בטכנולוגיה הנקראת רצף RNA של תאים יחיד (scrNA-seq), המייצרת מפה של בדיוק אילו גנים מועתקים ל"תמלילים "קצרים בתוך הגרעין. עם זאת, scrna-seq נותן לנו רק חלון לשלב הביניים בין הקוד הגנטי לחלבונים הדואגים (כמעט) את כל המשימות בגופנו. מדענים ידעו כבר זמן מה שרמות ה- mRNA אינן תואמות בדיוק את רמות החלבון המקביל שלהם בתאים. זה יכול להיות מושפע מגורמים רבים, כולל הדרכים המורכבות בהן התאים שולטים ביציבות mRNA ותרגומם לחלבונים, כמו גם כיצד חלבונים מושפלים, והכל באופן תלוי הקשר.
להתגבר על האתגר הזה
מדענים במעבדת פינסן ב- Rigshospitalet, מרכז המחקר והחדשנות של ביוטק (אוניברסיטת קופנהגן), האוניברסיטה הטכנית של דנמרק (DTU), והלמהולץ זנטרום מונצ'ן, השתמשו בגישה חדשה לניתוח האוכלוסייה המורכבת של חלבונים בתאים בודדים, במהלך היווצרות תאי דם. ניתוח פרוטאומי חד-תאי זה פירושו עקיפה של חומרי ביניים mRNA ולבנות מפה של החלבונים הקיימים בתאים במהלך ההבחנה שלהם מתאי גזע לתאי דם בוגרים.
אחד המחברים הבכירים של המחקר, בו פורס, ממעבדת פינסן ב- Rigshospitalet ובמרכז המחקר והחדשנות של ביוטק (אוניברסיטת קופנהגן), אומר:
"תהליך ההבחנה בתאים הוא מורכב להפליא, ואנחנו צריכים להבין היטב את הניואנסים של המתרחש בכל תא בכל שלב בחייו כדי לטפל במקרים כאשר התהליך משתבש. במחקר זה הראינו את היתכנות השימוש בטכנולוגיה זו כדי לדגמן במדויק את השלבים המדויקים של ביטוי הגנים, המכסה הן סינתזת mRNA והן ריקבון, וסינתזת חלבון ובעקבותיה לאחר מכן לאורך התמיינות התאים."
מחקר זה, שעתיד להתפרסם ב -21 באוגוסט בכתב העת Science, מייצג את השימוש הראשון בטכנולוגיה, שפותח יחד בין DTU, Rigshospitalet ואוניברסיטת קופנהגן, כלומר פרוטאומיקה של תאים יחיד על ידי ספקטרומטריה המונית (SCP-MS) במערכת איברים רלוונטיים ביולוגית-כמנוגדים לתרבדי תאים שגדלו. למרות שעדיין לא ניתן לאתר כל חלבון הקיים בכל תא, החוקרים הצליחו להשוות את נתוני ה- mRNA מהסיעוד המסורתי (ובכן, בסדר, רק בן עשור) שיטת scRNA-seq וניתוח חלבון חד-תאי חדש זה, ומצאו כי בתאי הדם המבדלים יותר מתואמים את התותים של אולם התאים) מתואמים את התאים והמתאים את התותים. מתואם בצורה לא טובה. זה מרמז כי מחזור תמלילי ה- mRNA, קצב התרגום שלהם או יציבות החלבונים המובעים בתאים בשלב מוקדם של הבידול שלהם עשוי להשתנות ככל שהתאים מתבדלים יותר.
מחקר זה הוא שיאו של שנים רבות של פיתוח טכנולוגי אינטנסיבי. לא מזמן, הרעיון למדוד אלפי חלבונים בתאי גזע אנושיים יחידים ממח העצם הרגיש כמו מדע בדיוני. מעולם לא דמיינו שנוכל להחיל SCP-MS על משהו מורכב ודינמי כמו מערכת הדם האנושית בקרוב. אבל כאן אנו, סוף סוף יכולים לגשת לשכבות של ביולוגיה שאינן נראות לחלוטין לשיטות מבוססות RNA בלבד. זהו עדות לכוח של ספקטרומטריה המונית, קריאות ברמת חלבון וביולוגיית מערכות מונעות נתונים כדי לשנות את ההבנה שלנו כיצד תאים מקבלים החלטות גורל. "
ארווין שוף, סופר סניור משותף, פרופסור חבר וראש מעבדת המגוון של התא, המחלקה לביוטכנולוגיה וביומפואה, האוניברסיטה הטכנית של דנמרק
ממצאים והשפעה
החוקרים המשיכו לחקור כמה מהחלבונים שנראו כאילו יורדים בשפע במהלך בידול תאים, למרות שיש להם רמות mRNA יציבות לאורך כל התהליך. על ידי עריכת הקוד הגנטי כדי להסיר (או 'דפיקה') גנים אלה, המדענים הראו כי הדבר הביא לירידה במספר תאי הגזע. זה מצביע על כך שחלבונים אלה חיוניים לשמירה על אוכלוסייה בריאה של תאי גזע בתוך המערכת, כדי להבטיח שיש אספקה מספקת של תאי דם בגוף. פשוט על ידי ניתוח נתוני ה- scRNA-seq בלבד, חלבונים רלוונטיים פונקציונליים אלה לעולם לא היו מזוהים, והתפקידים שלהם בתהליך חשוב זה היו נשארים מוסתרים.
"על ידי שילוב מדידות RNA וחלבון במודל דינאמי, אנו יכולים לתפוס את מחזור החיים המלא של ביטוי גנים בתאים בודדים. זה עוזר לנו להבין לא רק את מה שכתוב בתסריט הגנטי, אלא כיצד הוא מבוצע בזמן אמת. אני מתרגש מאיך שהמודלים של חלבון חישובי פותחים יותר ויותר בביולוגיה של פביאן, בביצועים של פבאן, במועמד הבריאות של הלמילץ ', פתיאן, בביולוגיה," פבאן, "פבאן, Modic Modes, Modez, Matym, Matym, Matym The Mycez, של מערכות ביולוגיות באוניברסיטה הטכנית במינכן.
עבודה זו מסמנת נקודת מפנה לביולוגיה של תאים יחיד: היכולת למדוד ישירות חלבונים ברזולוציה של תאים יחיד ברקמות אנושיות ראשוניות. היא פותחת את הדלת לגילוי שכבות נסתרות של ויסות בהתפתחות, מחלות והתחדשות, שכבות ש- RNA בלבד לא יכלו לחשוף. כאשר טלסקופים הופכים את ההבנה שלנו לגבי הקוסמוס, פרוטאומיקה של תאים יחידה עושה זאת כעת עבור פעולות החיים הפנימיות.
