ORION Organizacja Społeczna
CZŁOWIEK I BIOSFERA Wyróżnione

37 trylionów ciebie. Co oznacza zmapowanie całego ludzkiego ciała?

blank

To jest jeden z tych niewygodnych sekretów biologii – tak na prawdę do końca nie wiemy, z czego jesteśmy stworzeni. Ludzki genom wprawdzie został zdekodowany w 2003 roku, jednak wciąż nie jesteśmy w stanie wymienić wszystkich rodzajów komórek w naszym ciele.

Wszystko, co robimy – od poruszania się do myślenia, od trawienia pokarmu do spania, wszystko zależy od gamy różnych komórek, na przykład: czerwonych krwinek przypominających małe dyski, wrzecionowatych komórek nerwowych, komórek, które tworzą nasze mięśnie i tak dalej. Lista jest długa, a jednak dalej tak wiele pozostaje okryte tajemnicą.

Teraz po raz pierwszy jesteśmy w stanie dokonać kompleksowej inwentaryzacji. Jest to tak ambitny cel, jakim był Human Genome Project, dzięki któremu doczytaliśmy nasze DNA. Nowy projekt – Atlasu Komórek Ludzkich (Human Cell Atlas) – ma na celu zidentyfikowanie i zlokalizowanie każdej komórki, jaką posiadamy. Zrewolucjonizuje to nasze rozumienie ciała w taki sam sposób, jak pierwsze atlasy zmieniły nasze podejście do świata. Już pierwsze wyniki pokazują, w jaki sposób może to nam pomóc w poruszaniu się po zdrowych ciałach, nie mówiąc o znalezieniu nowych dróg i możliwości leczenia chorób takich jak rak i innych, które występują, kiedy komórki zmieniają się na “te złe”.

– Poznanie komórek to życie – powiedział Aviv Regev z Broad Institute w Cambridge (Massachusetts). – Jeśli nie wiesz, jakie komórki gdzie się znajdują i jak działają, nie możesz tak naprawdę powiedzieć, że rozumiesz biologię.

Zdecydowanie łatwiej to powiedzieć, niż zrobić. Przez ponad 150 lat, badacze kategoryzują komórki za pomocą różnych metod: wielkości i kształtu, położenia w ciele, sposobu, w jaki reagują na barwniki, a ostatnio – według wytwarzanych przez nie białek. Zaglądając do niektórych podręczników mamy tam skatalogowane 37 trylionów komórek, podzielonych na około 300 typów.

Za każdym razem, kiedy pojawia się nowy sposób spojrzenia na komórki, pojawiają się kolejne różnice, a liczba różnych typów rośnie. Atlas Komórek Ludzkich zastosuje jeszcze potężniejszy sposób klasyfikacji komórek, mianowicie według genów, które są w nich włączone, czyli ich tzw. transkryptomu.

Poza kilkoma wyjątkami wszystkie nasze komórki zawierają identyczne kopie naszego kodu genetycznego. Każda komórka kontroluje, który z 20000 genów jest aktywny, a różne typy komórek powodują ekspresję innych grup genów. Wiedza, które geny są aktywne i w jakim zakresie, jest dla nas ważna i wykracza poza wcześniejszy Human Genome Project. Pozwoliłaby ona nam zrozumieć, jakie zmiany genetyczne są zaangażowane w powstawanie różnych chorób. Aby móc wykorzystać tę wiedzę, najpierw musimy poznać komórki, w których pojawiają się owe zmiany.

Biolodzy, żeby mogli tego dokonać, musieliby być w stanie odczytać profile ekspresji genów poszczególnych komórek. Do niedawna proces ten wymagał sporego kawałka tkanki, który zawierał wiele różnych rodzajów komórek. Komórki te były następnie łączone w coś co Regev nazywa “koktajlem owocowym”. Dodaje, że tak naprawdę potrzebna byłaby “cała sałatka owocowa”, w której można byłoby zidentyfikować każdy kawałek owocu z osobna.

Nieznane owoce

W roku 2011 pomysł ten stał się realną perspektywą, kiedy Regev wraz ze swoim zespołem zdołała stworzyć profile ekspresji genów, wykorzystując niewielką ilość materiału genetycznego w pojedynczej komórce. Metoda ta została zastosowana na pozornie identycznych komórkach układu odpornościowego – zwanych komórkami dendrycznymi. Okazało się, że znajdują się tutaj duże różnice – tak jak we wspomnianej sałatce owocowej, tylko że tym razem pojawiło się kilka dotąd nieznanych. – Znaleźliśmy dwa nowe podzbiory komórek, o których istnieniu wcześniej nie wiedzieliśmy – powiedziała Regev.

Od tego czasu nastąpiła rewolucja w dziedzinie transkryptomiki – pojawiły się nowe i szybsze techniki. Większość z nich polega na oddzieleniu poszczególnych komórek w próbce i dodanie do niego zwykłego kodu kreskowego, cos w rodzaju etykiety (tagu) DNA dodanej to każdego materiału genetycznego. Znaczniki te pozwalają na śledzenie wyników związanych z poszczególnymi komórkami, nawet jeśli mieszane jest ze sobą wiele komórek w celu sekwencjonowania. Niedawno również nastąpiła eksplozja komórek, które można profilować jednocześnie – od 18 aż do 250000. – Te metody jednokomórkowe są naprawdę transformacyjne – mówi Ed Lein z Allen Institute w Seattle, który specjalizuje się w mapowaniu komórek mózgu. – Możesz wprowadzić dużą liczbę komórek z tkanki i otrzymać molekularną klasyfikację rodzajów komórek, która zastępuje 100 lat wcześniejszych badań.

Sarah Teichmann z Wellcome Sanger Institute w Cambridge w Wielkiej Brytanii również widzi potencjał w profilowaniu ekspresji genów w pojedynczych komórkach. – Naprawdę chciałabym zobaczyć układ okresowy naszych komórek – mówi. W 2013 roku zaangażowała się mocno w rozwój tej dziedziny w Sanger Institute. Oczywistym pytaniem w takim miejscu jest to, jak dużą mapę jesteśmy w stanie zrobić? Czy uda się to zeskalować do wielkości całego organizmu?

W 2014 roku Rever rozpoczęła myśleć o tym jako systematycznym projekcie – sekwencjonowanie wszystkich komórek w ciele. Zaczęła poruszać ten temat na wszystkich seminariach i rozmowach naukowych. W 2016 roku Ragev i Teichmann zaczęły działać wspólnie. Postanowiły zgromadzić specjalistów z różnych dziedzin – lekarzy, patologów, biologów komórkowych i obliczeniowych, twórców technologii genomicznej oraz analityków dużych zbiorów danych – głównie w celu sprawdzenia ich zainteresowania projektem. Na spotkanie przybyło około sto osób, które entuzjastycznie podeszły do tej propozycji. Narodził się wówczas pomysł Atlasu Komórek Ludzkich z Teichmann i Ragev na czele. – Zainstniał zeitgeist – duch epoki – mówi Ragev. – To był pomysł, którego czas nadszedł.

W projekt zaangażowanych obecnie jest ponad 1000 naukowców, reprezentujących 584 instytuty badawcze z 55 krajów, włączając w to m.in. Ekwador, Kenię, Nigerię czy Rosję. Atlasy komórek układu odpornościowego, skóry i płuc są już w opracowaniu!

Działania te stoją przed wieloma technicznymi wyzwaniami. Niepewności są zwłaszcza w drugim filarze projektu, w którym jest lokalizowanie komórek w ciele. Analogia, którą używała Ragev przy okazji struktur podobnych do sałatki owocowej, nie jest do końca dokładna. Biologia ma piękną strukturę. To właściwie tarta owocowa – mówi. – Nie jest to jednak wszystko zmieszane razem, bo wyglądalibyśmy jak bałagan.

Aby naprawdę zrozumieć jak działają nasze ciała, musimy być w stanie wskazać poszczególne komórki w tkankach. W ciągu ostatnich pięciu lat odnotowano ogromny postęp w technologiach lokalizacyjnych. Komórki w skrawku tkanki można zalać sondami fluorescencyjnymi, które zaczepiają się o określoną sekwencję genową. Szczegóły lokalizacji można też zakodować w materiale genetycznym za pomocą znaczników DNA, zanim tkanka zostanie rozbita w celu profilowania. W czerwcu naukowcy z Uniwersytetu Stanforda w Kaliforni opisali technikę sekwencjonowania pojedynczych komórek osadzonych w próbce tkanki w 3D.

Te metody jednak nie są jeszcze w stanie poradzić sobie z samą liczbą komórek i genów, które Atlas Komórek Ludzkich musi przeanalizować. Zamiast tego niektóre próbki (pochodzące z różnych źródeł – od sal operacyjnych po banki tkanek) będą przechowywane i badane później, kiedy odpowiednia technologia będzie już dostępna. Ostatecznie atlas zgromadzi dane z wielu laboratoriów, dotyczące jednego narządu lub jednego punktu w nim. Umożliwi to naukowcom przeprowadzanie analiz obejmujących wszystkie najnowsze informacje. – To właśnie tam leży jego prawdziwa moc – mówi Lein.

Mimo wczesnych dni projektu udało się już dokonać znaczących odkryć. Profilowanie komórkowe zostało już wykorzystane do zbadania najwcześniejszych stadiów ciąży, gdy łożysko płodu przykleja się do macicy matki. Ujawniono w ten sposób lokalizację komórek płodowych i matczynych na całej powierzchni jego przylegania, a także szlaki sygnałowe, jakie białka wykorzystują do komunikacji. Odkrycia te powinny rzucić nowe światło na przyczyny poronień i zaburzeń, takich jak stan przedrzucawkowy.

Teichmann współpracowała również z Samem Behjati w Sanger Institute nad profilami ekspresji komórek nerkowych. W sierpniu 2018 roku opublikowali badania pokazujące, że komórki guza Wilmsa (nerczak zarodkowy) – najczęstszego dziecięcego raka nerki – przypominają komórki, które nie dojrzewają we właściwy sposób. Dzisiaj Wilmsa leczy się toksyczną chemioterapią. Behjati sugeruje, że lepszą alternatywą byłoby przekazanie komórkom rakowym odpowiednich sygnałów białkowych, aby skłonić je do dojrzewania. – Może to doprowadzić do zupełnie nowego modelu leczenia raka u dzieci – mówi.

Być może najbardziej zaskakujące jest to, że w sierpniu 2018 roku dwa zespoły odkryły nieznany wcześniej rodzaj komórek w wyściółce pęcherzyków płucnych, który może być przyczyną mukowiscydozy. Jest to najczęstsze zaburzenie jednego genu u osób pochodzenia północnoeuropejskiego i rozwija się, gdy organizm nie wytwarza wystarczającej ilości białka CFTR. Niedobór powoduje gromadzenie się lepkiego śluzu w płucach, powtarzające się infekcję i przedwczesną śmierć.

Przez ostatnie 30 lat uważano, że CFTR jest wytwarzany w płucach głównie przez komórki urzęsione. Istniejące leki i terapie genowe na mukowiscydozę zostały zaprojektowane przy założeniu, że jest to prawdą. Jednak nowe badania pokazują, że lwią część CFTR tworzą nowo odkryte komórki, zwane obecnie jonocytami płucnymi. Odkrycia te sugerują sposób na zwiększenie liczby jonocytów, co powinno pomóc niektórym osobom zmagającym się z mukowiscydozą.

Ulepszone leczenie mukowiscydozy i guza Wilmsa, a także lepsze zrozumienie, dlaczego ciąża kończy się niepowodzeniem są znaczącymi krokami samymi w sobie. Sten Linnarsson z Intytutu Karolinska w Szwecji – jednego z komitetów organizacyjnych projektu – pomija jednak szerszą wartość Atlasu Komórek Ludzkich. – Atlas nie umożliwia jednej konkretnej rzeczy. To podstawa odkrywania całej ludzkiej biologii – mówi.

Co to w ogóle jest komórka?

Czasem ciężko docenić ich znaczenie. Większość jest niewidoczna gołym okiem, ale bez nich nie byłoby życia. Anielski naukowiec Robert Hooke, patrząc na plastry korka przez swój domowy mikroskop, pierwszy zobaczył komórki i nazwał je. Przez następne 200 lat naukowcy poznawali ich znaczenie. Komórka jest najbardziej podstawową jednostką życia – wszystkie żywe organizmy są zbudowane z jednej lub więcej komórek.

Nasze komórki zawierają zadziwiający zestaw drobnych struktur, takich jak jądro, w którym znajduje się genom; mitochondria odpowiedzialne za wytwarzanie energii; retikulum endoplazmatyczne, w którym wytwarzane są białka i tłuszcze. Wszystkie te akcesoria są otoczone błoną komórkowa, która działa jak granica państwa, pozwalając na wchodzenie i wychodzenie tylko niektórych towarów.

Ludzkie komórki są przede wszystkim różnorodne. Wśród najmniejszych jest nasienie – wielkość komórki to długość 50 mikrometrów. Natomiast komórka nerwowa biegnąca od dolnego rdzenia kręgowego do dużego palca może osiągnąć długość ponad jednego metra.

W ich rolach występuje podobna różnorodność. Komórki nerwowe odbierają, przetwarzają i przesyłają informacje kanałami elektrycznymi i chemicznymi. Komórki włosów w uchu przekształcają wibracje na impulsy, które odbieramy jako dźwięki. Komórki naturalnych zabójców niosą w sobie śmiertelne chemikalia, którymi eliminują komórki zainfekowane lub rakowe. To tylko kilka z przykładów. Każdy typ zależy od innych, aby wszystko działało jak należy. Na przykład prawie wszystkie komórki zależą od czerwonych krwinek, aby być zaopatrzonymi w tlen.

Rodzaje komórek pojawiają się już w zarodku, gdzie w różnych regionach są one wystawione na działanie różnych koktajli białkowych, co zmusza je do ekspresji określonej kombinacji genów, a tym samym rozwoju różnych typów komórek.

Liczba aktywnych genów różni się nawet w dojrzałych komórkach. – Jeśli mówimy o szybkiej proliferacji komórki, to mamy na myśli działanie 5000 do 6000 genów – mówi Sarah Teichmann z Wellcome Sanger Institute w Wielkiej Brytanii. – Ale jeśli mówimy o komórce spoczynkowej, to jest tu znacznie mniej tysięcy genów. Komórki mogą również zmieniać swoją moc wyjściową w reakcji na sygnały z otoczenia. Rozplątanie i poznanie tych wszystkich sygnałów oraz reakcji jest -zdaniem wielu badaczy – kluczowym celem Atlasu Komórek Ludzkich.

Pojedyncza komórka – duży zbiór danych

Jeśli chodzi o profilowanie genów w komórce, liczby są naprawdę zadziwiające. Różne typy komórek wyrażają różne geny, a ocena ilościowa każdego z nich może oznaczać 20 tysięcy wyników na komórkę. Projekt Atlas Komórek Ludzkich przewiduje profilowanie miliardów komórek. Zrozumienie danych na taką skalę będzie wymagać metod, które jeszcze nie istnieją.

Projekt otrzymał finansowanie od Chan-Zuckenber Initiative, założonej przez właściciela Facebooka Marka Zuckenberga oraz jego żonę Priscillę Chan. Pieniądze zostały przeznaczone na tworzenie narzędzi programowych i platformy, na której badacze mogą przesyłać wyniki i analizować dane. W kwietniu 2019 roku projekt wydał pierwszą transzę danych z ponad 500 tysięcy komórek.

Jedną z technik popularnych wśród biologów jest narzędzie do wizualizacji danych, zwane t-SNE (wymawiane “tisni”), które grupuje komórki według podobieństwa między tysiącami wyników pochodzących z ekspresji genów. Następnie wyświetla je w dwóch wymiarach.

To narzędzie odegrało kluczową rolę właśnie w odkryciu nowego rodzaju komórek płucnych. Po wykreśleniu wszystkich różnych typów komórek wyściółki pęcherzyków płucnych za pomocą t-SNE, wykres pokazał “coś” co różniło się od wszystkich innych komórek. Doprowadziło to naukowców do nieznanego wcześniej typu komórki, który nazwali – jak pisaliśmy wyżej – jonocytem.

Jakie jeszcze odkrycia i zrozumienie uda nam się osiągnąć dzięki Atlasowi Komórek Ludzkich, tego sami jeszcze nie wiemy.

Źródło: New Scientist

Przeczytaj także

Pociąg seksualny do tej samej płci nie jest ewolucyjnym paradoksem – oto dlaczego

Alan O. Grinde

Odnaleziono szczątki angielskiego króla Ryszarda III

Karolina Pietrzak

Ultradźwięki pomagają w skutecznym skanowaniu piersi

Alan O. Grinde

Rak mózgu pokonany wirusem opryszczki

Alan O. Grinde

Aspirujesz do roli ojca? Uważaj na dietę!

Anna Śnieżyńska

“Geny depresji” ukazują złożoność problemu

Alan O. Grinde