Генный гений: как проект плаценты раскрывает секреты наших клеток | Генетика

Генетика

Атлас клеток человека уже помогает обеспечить более безопасную беременность, и ученые считают, что он поможет им понять многие другие состояния.

Он обеспечивает кислородом и питательными веществами растущего ребенка, удаляет отходы по мере их накопления в крови и защищает жизнь плода. И все же плацента, временный орган, лелеющий нерожденных, представляет собой загадку. Он несет ДНК новообразованного ребенка, но умудряется ускользать от иммунных реакций своей генетически отличной матери.

Понимание того, как выживает и функционирует плацента, имеет решающее значение для обеспечения здоровых и жизнеспособных беременностей — и благодаря замечательному глобальному проекту, Атлас клеток человека (HCA), исследователи сейчас раскрывают секреты его поведения.

Это достижение может иметь важные последствия. Когда проблемы затрагивают плацентутакие условия, как преэклампсия или даже выкидыши может случиться. Понимание механизма его функционирования должно помочь врачам справиться с этими состояниями. И это не единственный успех проекта Atlas, который был запущен в 2016 году учеными из Великобритании и США. С тех пор сотрудничество значительно расширилось и теперь включает несколько тысяч исследователей из учреждений со всего мира.

В дополнение к победе над плацентой эти группы также раскрывают клеточные секреты иммунной системы, а также мозга, легких и других органов. В процессе ученые открыли тысячи новых типов клеток, фундаментальную единицу жизни у людей.

«В среднем взрослом человеке насчитывается около 37,2 триллиона клеток, и они бывают самых разных типов», — сказал Авив Регев из американского биотехнологического гиганта Genentech и один из основателей проекта HCA. «Когда мы запускали атлас, нам было известно о нескольких сотнях типов, но с тех пор мы нашли в несколько раз больше, и их общее количество постоянно растет. Теперь мы знаем о тысячах различных типов клеток у людей».

В прошлом ученые использовали микроскопические наблюдения за тканью для идентификации различных типов клеток. Этот процесс работает для более общих ячеек. Однако некоторые из них встречаются редко и их легко не заметить, хотя они могут иметь решающее значение для обеспечения правильного функционирования органов в организме.

Чтобы обойти эту проблему, ученые обратились к геномика и передовые вычислительные технологии для определения отдельных клеток по их генетическим подписям. «Мы называем это революцией разрешения», — сказала другая основательница проекта, Сара Тайхманн, работающая в Институте Wellcome Sanger в Кембриджшире.

«Благодаря развитию геномики отдельных клеток мы можем секвенировать каждую отдельную клетку в образце ткани. Это изменило нашу способность изучать клеточный состав человеческого тела».

За первые шесть лет своего существования исследователи, работающие в HCA, секвенировали и охарактеризовали в общей сложности 117,8 миллиона клеток из 174 600 образцов 9 551 человека. Таким образом были обнаружены сотни новых типов клеток, причем открытия в плаценте лежат в авангарде этого исследования.

«Плод создает плаценту, которая окружает и защищает его, а также устанавливает связь между собой и маткой своей матери, в которой он развивается», — сказал клеточный генетик Розер Венто-Тормо, который также работает в Институте Велкома Сэнгера.

Ученые знали, что клетки, называемые трофобластами, покидают плаценту и мигрируют в матку матери во время беременности. Там они осуществляют межклеточный диалог, который убеждает иммунную систему матери терпеть растущий внутри нее плод. Но точная природа этого обмена ускользала от попыток расшифровать его. Поэтому исследователи HCA обратились к методам одноклеточной геномики и использовали их для анализа более 70 000 отдельных клеток, взятых в первом триместре беременности. Это показало, как эти клетки взаимодействовали друг с другом, и показало, как трофобласты внедряются в слизистую оболочку матки и заставляют ее ткань изменять структуру, создавая кровоснабжение для развивающегося плода.

«То, что мы обнаружили, — это сообщения, которые эти клетки передают своим материнским клеткам, чтобы плод и плацента мирно жили внутри матери», — сказал Венто-Тормо. Важность этой работы подчеркивал и Тейхманн. «Этот первый HCA на ранних сроках беременности изменит наше представление о здоровом развитии. Это также прольет свет на нарушения беременности».

Другие открытия, сделанные исследователями HCA, включают обнаружение нового типа клеток в легких. Эта клетка несет рецептор, который, если он отсутствует, играет ключевую роль в возникновении кистозного фиброза, одного из наиболее распространенных опасных для жизни наследственных заболеваний на Западе.

«До этого мы не знали, что этот тип клеток существует», — добавил Регев. «Мы были совершенно слепы к этому и думали, что речь идет о другом типе клеток. Знание правильной ячейки имеет решающее значение, конечно. Это означает, что вы можете точно и эффективно нацеливать терапию. Так что это тоже очень важное открытие».

Еще один пример потенциала исследований ГКА дают ученые, которые работали в начале 2020 года в течение первых недель пандемия Ковида. Они использовали геномику одной клетки, чтобы обнаружить два набора клеток — известных как бокаловидные и реснитчатые клетки — в носу. Было обнаружено, что они имеют высокий уровень белков, которые вирус Covid использует для проникновения в наш организм. Идентификация этих клеток помогла объяснить высокую скорость передачи Covid в критически важный момент.

«Знание того, какие именно типы клеток важны для передачи вируса, дает основу для разработки потенциальных методов лечения, направленных на снижение распространения вируса», — сказал Тейчман. «Это также демонстрирует огромный потенциал исследований HCA».