Работая с сотнями тысяч изображений с высоким разрешением, команда Института клеточных наук Аллена, подразделения Института Аллена, оценила внутреннюю организацию клеток человека — биологическую концепцию, которую на сегодняшний день оказалось исключительно трудно определить количественно. .
Благодаря этой работе ученые также получили сведения о большом разнообразии формы клеток даже среди генетически идентичных клеток, выращенных в одинаковых условиях. Команда описала свою работу в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature (4 января).
«То, как организованы клетки, говорит нам кое-что об их поведении и идентичности», — сказала Сюзанна Рафельски, доктор философии, заместитель директора Алленовского института клеточных наук, которая руководила исследованием вместе со старшим научным сотрудником Матеусом Вианой, доктором философии. «Чего не хватало в поле, поскольку мы все пытаемся понять, как клетки меняются в здоровом и болезненном состоянии, так это строгого способа борьбы с такого рода организацией. Мы еще не использовали эту информацию».
По словам Рафельски, это исследование дает биологам дорожную карту для понимания организации различных видов клеток измеримым количественным способом. Он также раскрывает некоторые ключевые принципы организации клеток, изучаемых командой Института Аллена, которые известны как индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки.
Понимание того, как клетки организуют себя в здоровых условиях — и всего диапазона изменчивости, содержащейся в «нормальном» состоянии, — может помочь ученым лучше понять, что идет не так при болезни. Набор данных изображений, генетически модифицированные стволовые клетки и код, который использовался в этом исследовании, находятся в открытом доступе для использования другими учеными в сообществе.
«Часть того, что делает клеточную биологию неразрешимой, заключается в том, что каждая клетка выглядит по-разному, даже если они относятся к одному и тому же типу клеток. Это исследование, проведенное Институтом Аллена, показывает, что та же самая изменчивость, которая долгое время преследовала эту область, на самом деле является возможность изучить правила, по которым собирается клетка», — сказал Уоллес Маршалл, доктор философии, профессор биохимии и биофизики Калифорнийского университета в Сан-Франциско и член Научного совета Алленовского института клеточных наук. Доска. «Этот подход применим практически к любой ячейке, и я ожидаю, что многие другие будут использовать ту же методологию».
Вычисление грушевидности наших клеток
В рамках работы, начатой более семи лет назад, команда Института Аллена впервые создала коллекцию стволовых клеток, генетически модифицированных для освещения различных внутренних структур под флуоресцентным микроскопом. Имея в руках клеточные линии, которые маркируют 25 отдельных структур, ученые получили трехмерные изображения с высоким разрешением более чем 200 000 различных клеток.
Все это для того, чтобы задать один, казалось бы, простой вопрос: как наши клетки устроены внутри?
Как оказалось, найти ответ действительно сложно. Представьте себе, что в вашем офисе установлены сотни различных предметов мебели, все из которых должны быть легко доступны, и многие из них должны свободно перемещаться или взаимодействовать в зависимости от их задачи. Теперь представьте, что ваш офис — это мешок с жидкостью, окруженный тонкой мембраной, а многие из этих сотен предметов мебели — еще меньшие мешочки с жидкостью. Разговор о кошмаре дизайна интерьера.
Ученые хотели знать: как все эти крошечные клеточные структуры устроены по сравнению друг с другом? Всегда ли «структура А» находится в одном и том же месте или она случайна?
Команда столкнулась с проблемой сравнения одной и той же структуры между двумя разными клетками. Несмотря на то, что исследуемые клетки были генетически идентичны и выращены в одних и тех же лабораторных условиях, их форма существенно различалась. Ученые поняли, что было бы невозможно сравнить положение структуры А в двух разных клетках, если бы одна клетка была короткой и пятнистой, а другая — длинной и грушевидной. Поэтому они пронумеровали эти короткие шарики и продолговатые груши.
Используя вычислительный анализ, команда разработала так называемое «пространство формы», которое объективно описывает внешнюю форму каждой стволовой клетки. Это пространство форм включает в себя восемь различных измерений вариаций формы, таких как высота, объем, удлинение и точно описанные «грушевидность» и «бобовость». Затем ученые могли сравнить яблоки с яблоками (или фасоль с фасолью), глядя на организацию клеточных структур внутри всех клеток одинаковой формы.
«Мы знаем, что в биологии форма и функция взаимосвязаны, и понимание формы клеток важно для понимания того, как они функционируют», — сказал Виана. «Мы придумали структуру, которая позволяет нам измерять форму клетки, и в тот момент, когда вы это делаете, вы можете найти клетки схожей формы, и для этих клеток вы можете заглянуть внутрь и увидеть, как все устроено».
Строгая организация
Когда они посмотрели на положение 25 выделенных структур, сравнив эти структуры в группах клеток с похожей формой, они обнаружили, что все клетки располагаются удивительно похожим образом. Несмотря на огромные различия в форме клеток, их внутренняя организация была поразительно последовательной.
Если вы посмотрите на то, как тысячи белых воротничков расставляют свою мебель в высотном офисном здании, то получится так, как если бы каждый рабочий поставил свой стол прямо посреди своего офиса, а свой картотечный шкаф точно в дальний левый угол. , независимо от размера или формы офиса. Теперь предположим, что вы нашли один офис с брошенным на пол шкафом для документов и разбросанными повсюду бумагами — это может рассказать вам кое-что о состоянии этого конкретного офиса и его обитателя.
То же самое касается клеток. Обнаружение отклонений от нормального положения дел может дать ученым важную информацию о том, как меняются клетки, когда они переходят от стационарных к мобильным, готовятся к делению или о том, что идет не так на микроскопическом уровне при заболеваниях. Исследователи изучили два варианта своего набора данных — клетки на краях колоний клеток и клетки, которые подвергались делению для создания новых дочерних клеток — процессу, известному как митоз. В этих двух состояниях ученые смогли обнаружить изменения во внутренней организации, связанные с различной средой или активностью клеток.
«Это исследование объединяет все, что мы делали в Институте клеточных исследований Аллена с момента его открытия», — сказал Ру Гунавардане, доктор философии, исполнительный директор Института клеточных исследований Аллена. «Мы построили все это с нуля, включая показатели для измерения и сравнения различных аспектов организации клеток. Что меня действительно волнует, так это то, как мы и другие члены сообщества теперь можем опираться на это и задавать вопросы о клеточной биологии. что мы никогда не могли спросить раньше».
No comments:
Post a Comment