İnsan Hücrelerinin Nasıl Büyüdüğü ve Geliştiği Yeni Moleküler Atlaslar Yoluyla Açıklandı
İki atlas, hücreler farklı hücre tipleri ve dokulara farklılaştıkça gen ekspresyonunu ve kullanılabilirliğini haritalandırır.
Seattle’daki Brotman Baty Enstitüsü’ndeki UW Medicine araştırmacıları, insan hücre tipleri ve dokularının gelişimi sırasında gen ekspresyonunu ve kromatin erişilebilirliğini izleyen iki hücre atlası yarattı.
Bir atlas, 15 fetal dokuda tek tek hücrelerdeki gen ekspresyonunu eşler. İkinci atlas, hücrelerdeki tek tek genlerin kromatin erişilebilirliğini haritalandırır.
Atlaslar, insan gelişiminde benzeri görülmemiş ölçekte gen ekspresyonunu ve kromatin erişilebilirliğini anlamak için temel bir kaynak sağlar.
Ayrıca, iki makalede açıklanan teknikler, milyonlarca hücre için gen ekspresyonu ve kromatin erişilebilirliği hakkında veri üretmeyi mümkün kılmaktadır.
BBI ve UW Medicine’e ek olarak, Illumina, Inc., Arizona Üniversitesi, Fred Hutchinson Kanser Araştırma Merkezi, Max Planck Moleküler Genetik Enstitüsü ve Rochester Üniversitesi Tıp Merkezi’nden diğer işbirlikçiler de bu çalışmalara katkıda bulundu.
Gen İfade Atlası
Gen ekspresyonu, bir hücrenin, protein sentezini yönlendirmek için DNA’sında depolanan talimatları kullandığı süreçtir. Bu proteinler sırayla bir hücrenin yapısını ve işlevini belirler.
Gen ekspresyon atlası, gen ekspresyonunun farklı hücre tiplerinde büyüdükçe ve geliştikçe nerede ve ne zaman gerçekleştiğini haritalandırır.
Baş yazar Junyue Cao, “Bu verilerden, insan dokularındaki tüm ana hücre türlerinin bir kataloğunu doğrudan oluşturabiliriz, bu hücre türlerinin dokular arasında gen ifadelerinde nasıl değişiklik gösterebileceği de dahil” dedi.
Bu çalışmayı, UW Medicine’de genom bilimleri profesörü, Howard Hughes Tıp Enstitüsü araştırmacısı ve Brotman Baty Enstitüsü’nün bilimsel direktörü Jay Shendure’un laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak tamamladı. Cao şu anda Rockefeller Üniversitesi’nde yardımcı doçent.
Shendure, “Bir insanda mevcut olan genetik programları mümkün olduğu kadar geniş ölçekte ve mümkün olduğunca fazla çözünürlükle profillemek için alanın kapsamlı bir amacı var” dedi.
Atlas’ı oluşturmak için araştırmacılar, sci-RNA-seq3 adı verilen bir teknik kullanarak 15 tip fetal dokuda gen ekspresyonunun profilini çıkardı. Bu teknik, her bir hücreyi, üç DNA “barkodunun” benzersiz bir kombinasyonuyla etiketler ve böylece araştırmacıların hücreleri fiziksel olarak ayırmadan takip etmelerine olanak tanır.
Diziler elde edildikten sonra, tek hücre bilgisini kurtarmak için bilgisayar algoritmalarını kullandılar, hücreleri türe ve alt türe göre kümelediler ve gelişim yörüngelerini belirlediler.
Bilim adamları, 4 milyondan fazla tek hücrenin profilini çıkardı ve 77 ana hücre türünü ve yaklaşık 650 hücre alt türünü belirledi.
Ayrıca atlası mevcut bir fare embriyonik gelişim atlası ile karşılaştırdılar. UW Tıp Fakültesi’nde genom bilimleri profesörü ve bir Brotman Baty Enstitüsü araştırmacısı olan eş kıdemli yazar Cole Trapnell, “Bu verileri daha önce yayınlanmış verilerle birleştirdiğimizde, tüm büyük hücreler için hücrenin gelişim yolunu doğrudan türler belirleyebiliriz.”
DNA Erişilebilirlik Atlası
DNA erişilebilirliğinin ikinci atlası, DNA’nın hücre çekirdeğine sıkıca paketlenmesine izin veren kromatin adı verilen materyalin haritasını çıkarır.
Kromatin, DNA’da kodlanmış veya kapalı ve “erişilemez” genetik talimatları okuyan moleküler makine için açık ve “erişilebilir” olabilir. DNA’nın açık ve kapalı bölgelerini bilmek, bir hücrenin genleri nasıl açıp kapatmayı seçtiğini söyleyebilir.
Daha önce Shendure laboratuarında doktora sonrası araştırmacı ve şimdi Arizona Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan eş-kıdemli yazar Darren Cusanovich, kromatin çalışmak size hücrenin düzenleyici “grameri” hakkında bir fikir verir “dedi.
“Açık veya erişilebilir olan kısa DNA uzantıları, hücrenin belirli genleri istediğini belirtmesinin temeli olan belirli ‘kelimeler’ için zenginleştirilmiştir.”
Bireysel hücrelerde DNA erişilebilirliğini profillemek için bilim adamları, sci-ATAC-seq3 adı verilen yeni bir yöntem geliştirdiler. Sci-RNA-seq3 gibi, bu teknik de tek tek hücreleri etiketlemek ve izlemek için her hücrede üç farklı DNA “barkodu” kullanır.
Bununla birlikte, şu anda ifade edilen tüm dizileri tanımlamak yerine, sci-ATAC-seq3, kromatin sitelerini yakalar ve diziler.
Bilim adamları, bu çalışmada 15 fetal dokuda yaklaşık 1 milyon bölgede yaklaşık 800.000 tek hücreli kromatin erişilebilirlik profili oluşturdu.
Hangi proteinlerin her bir hücrede erişilebilir DNA siteleriyle etkileşime girme olasılığı olduğunu ve bu etkileşimlerin hücre tipini nasıl açıklayabileceğini sordular.
Bu analiz, genom içinde geliştirme için kontrol anahtarlarını tanımlar. Ayrıca, hastalıklarla ilişkilendirilebilecek kromatin erişilebilirlik alanlarını da belirlediler.
Bu bize genomun hangi kısmının işlevsel olabileceğini söylüyor. Genleri kodlamayan genomun yüzde kaçının gen düzenlemesine dahil olabileceğini hala bilmiyoruz.
Erişilebilirlik atlası makalesinin ortak baş yazarı ve Shendure laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Silvia Domcke, atlasımız artık birçok hücre türü için bu bilgileri sağlıyor ”dedi.
DNA erişilebilirlik çalışmasının diğer baş yazarları, önceden Shendure laboratuvarında hesaplamalı biyolog ve şimdi 10x Genomics’te bilim adamı olan Andrew Hill ve Shendure laboratuvarında araştırma bilimcisi Riza Daza’dır.
Referanslar:
“Fetal Gen İfadesinin İnsan Hücre Atlası” 12 Kasım 2020, Science.
“Kromatin Erişilebilirliğinin İnsan Hücresi Atlası” 12 Kasım 2020, Science.
Bu çalışmaların bileşenleri Brotman Baty Enstitüsü, Paul G. Allen Frontiers Vakfı, Chan Zuckerberg Girişimi, Hpward Hughes Tıp Enstitüsü ve Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından finanse edildi.