Хотя наши знания о клетках и тканях человека за последние десятилетия неуклонно возрастали, многие вещи остаются неизвестными. Например, клетки существуют в преходящих, динамических состояниях, и понимание этих процессов является фундаментальным для расшифровки болезней и поиска лекарств. Классические методы, применявшиеся в лаборатории для изучения типов клеток, сталкивались с ограничениями и не позволяли точно описать функции клеток.
Чтобы преодолеть это препятствие, группа ученых Национального центра геномного анализа (National Centre for Genomic Analysis — CNAG-CRG) из Центра геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation — CRG) в Барселоне, Испания, во главе с Хольгером Хейном, разработала новый вычислительный инструмент, основанный на математической теории Графов, для вывода глобальных, крупномасштабных регуляторных сетей из здоровых и патологических органов, таких как диабет или болезнь Альцгеймера. Исследователи смогли определить гены, относящиеся к функции органов и потенциальные факторы развития заболеваний. Они публикуют свои результаты в текущем номере журнала Genome Biology.
«Наши ранее разработанные одноклеточные транскриптомные инструменты были очень полезны для обнаружения неизвестных типов клеток», — говорит Джованни Яконо, старший научный сотрудник CNAG-CRG и первый автор исследования. «Эти средства позволили описать новые типы и подтипы клеток, с их уникальными биологическими функциями и иерархическими отношениями», — добавляет он.
До сих пор, для понимания типов клеток и их функций в тканях использовался одноклеточный анализ. «Крупномасштабные консорциумы, такие как проект атласа клеток человека, генерируют одноклеточные карты целых организмов, и сложные стратегии анализа необходимы для преобразования больших данных в разрушительные биологические и клинические идеи», — говорит Хольгер Хейн, руководитель группы по геномике одной клетки в CNAG-CRG и ведущий автор статьи.
Инструмент, разработанный этой научной группой, позволит им сделать еще один шаг вперед, увидеть, как взаимодействуют гены, образуя ткани. «Наш инструмент пытается точно решить регуляторный процесс, который контролирует морфологию и функции клетки», — подчеркивает Яконо.
Инструмент основан на теории Графов, абстрактной математической модели, в которой есть узлы, связанные ребрами. Как только у вас есть график, структура, вы можете измерить важность каждого узла для сети. В этом случае каждый узел был геном, и важность определялась как функция этого гена, являющегося ключевым для исследуемой биологической системы.
Исследователи CNAG-CRG обрабатывали наборы данных из десяти тысяч клеток, чтобы вывести регуляторные сети, которые управляют формированием фенотипа клеток и их соответствующими функциями. Они применили свой инструмент для изучения диабета 2 типа и болезни Альцгеймера и смогли найти функциональные изменения, относящиеся к этим заболеваниям. Главное, это открывает двери для поиска новых лекарственных препаратов.
«Сетевой анализ, который мы разработали, выходит за рамки применяемых в настоящее время подходов, чтобы обеспечить глубокое понимание того, как деятельность генов формирует ткани и органы. Это важно для понимания болезней, при которых эти сети нарушаются, и поиска их «ахиллесовых пяток» для эффективного лечения.» — говорит Хейн.
Потенциально средство может применяться при любом заболевании, от болезни Альцгеймера до хронического лимфолейкоза. «Мы используем наш инструмент, чтобы предложить новые целевые гены для многих заболеваний, которые затем могут быть проверены в дальнейших исследованиях.»
Источник: Center for Genomic Regulation