Massiver Einzelzellatlas menschlicher Gewebe hebt Zelltypen hervor, in denen Krankheitsgene aktiv sind

Genetische Studien haben viele Gene enthüllt, die sowohl mit häufigen als auch mit seltenen Krankheiten in Verbindung stehen, aber um zu verstehen, wie diese Gene Krankheiten hervorrufen, und um diese Erkenntnisse zur Entwicklung von Therapien zu nutzen, müssen Wissenschaftler wissen, wo sie im Körper aktiv sind. Die Forschung an Einzelzellen kann dazu beitragen, dieses Ziel zu erreichen, indem die Genaktivität in bestimmten Zelltypen untersucht wird. Wissenschaftler müssen alle Zelltypen profilieren und sie über Organe im Körper hinweg vergleichen, um mehr über das gesamte Spektrum menschlicher Krankheiten zu erfahren, aber dies ist mit den bestehenden Methoden schwierig zu bewerkstelligen.

Jetzt haben Forscher am Broad Institute des MIT und Harvard eine robuste experimentelle Pipeline entwickelt, die viel mehr Zelltypen aus mehr Geweben profilieren kann, als mit anderen Techniken untersucht werden können, sowie maschinelle Lernmethoden, um diese Daten zusammenzuführen und die resultierende Karte abzufragen , oder Atlas. Das Team verwendete es, um bestimmte Zelltypen aus verschiedenen Geweben zu lokalisieren, die an mehreren Krankheiten beteiligt sind. Ihr Ansatz wird weitere groß angelegte Studien verschiedener Zelltypen und Vergleiche zwischen Geweben ermöglichen, einschließlich Zellen aus gefrorenem Gewebe, die von vielen Patienten gesammelt werden können. Diese Arbeit erschließt eine Fülle von Proben, die in Forschungssammlungen rund um den Globus für diese Art der Einzelzellanalyse aufbewahrt werden, und bringt die Wissenschaftler auch ihrem Ziel eines menschlichen Zellatlas, der jeden Zelltyp des menschlichen Körpers katalogisiert, einen großen Schritt näher. in einer großen Anzahl von Personen mit unterschiedlichem Hintergrund.

Frühere Einzelzellstudien haben sich meist auf jeweils einen Gewebetyp konzentriert, um gewebespezifische Karten zu erstellen. Unter Verwendung ihrer neuen Pipeline erstellte das Team einen riesigen Atlas mit Hunderttausenden von Zellen in mehreren Geweben im Körper. Dadurch konnten sie unerwartete neue Funktionen und Genexpressionsprogramme für mehrere Zelltypen aufdecken, beispielsweise Muskelzellprogramme, die in Lungenbindegewebszellen exprimiert werden. Die Ergebnisse deckten auch genetische Ähnlichkeiten zwischen Zellen in verschiedenen Geweben auf und brachten bestimmte Zelltypen zum ersten Mal mit bestimmten Krankheiten in Verbindung.

Der Atlas ist der erste gewebeübergreifende Atlas, der auf Messungen der Genaktivität innerhalb einzelner Zellkerne basiert, was es dem Team ermöglichte, eine größere Vielfalt an Zelltypen zu erfassen als bestehende Methoden, die die Genexpression aus der ganzen Zelle messen.

Die Forscher sagen, dass ihr Atlas viele neue Studien über Gesundheit und Krankheit anregen wird, und haben ihn offen mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die geteilt GTEx-Portal und die Broads Single-Cell-Portal.

Diese Studie ist Teil der internationalen Menschlicher Zellatlas (HCA)-Konsortium, das darauf abzielt, jeden Zelltyp im menschlichen Körper als Grundlage für das Verständnis der menschlichen Gesundheit sowie für die Diagnose, Überwachung und Behandlung von Krankheiten zu kartieren. Als offenes, globales, von Wissenschaftlern geleitetes Konsortium ist HCA eine gemeinsame Anstrengung von Forschern, Instituten und Geldgebern weltweit mit mehr als 2.300 Mitgliedern aus 83 Ländern auf der ganzen Welt.

Das Papier ist eine von vier großen Gemeinschaftsstudien für den Human Cell Atlas, die in veröffentlicht wurden Wissenschaft diese Woche, die umfassende und offen verfügbare gewebeübergreifende Zellatlanten erstellt haben. Die komplementären Studien geben Aufschluss über Gesundheit und Krankheit und werden zu einem einzigen Human Cell Atlas beitragen.

„Diese Studien stellen einen Schlüsselmoment für die Einzelzellforschung und den Human Cell Atlas dar“, sagte Aviv Regev, Co-Senior-Autor der Studie, der zu Beginn der Studie Mitglied des Kerninstituts am Broad war und derzeit Leiter von Genentech Research ist und frühe Entwicklung. „In unserer Studie haben wir gezeigt, dass dieser Ansatz entscheidende Erkenntnisse über die Rolle von Zellen und Geweben bei vielen Krankheiten liefern kann, die neue wissenschaftliche und biomedizinische Untersuchungen anregen werden, die auf das gemeinsame Ziel der Revolutionierung der Medizin abzielen.“

Die richtigen Teams zur richtigen Zeit

In den letzten zehn Jahren waren Regev und andere am Klarman Cell Observatory at the Broad führend in der Entwicklung und Implementierung von Techniken, die die Genaktivität oder RNA-Expression in einzelnen Zellen analysieren, aber diese Methoden funktionieren bei großen Zellen nicht gut Fett- oder Muskelgewebe oder auf empfindliche Zellen wie Neuronen. Daher begannen Wissenschaftler im Regev-Labor, neue Ansätze zu entwickeln, die auf eine größere Vielfalt von Zelltypen angewendet werden konnten, indem sie den Zellkern für die RNA-Messung isolierten und nicht die gesamte Zelle. Darüber hinaus können diese Ansätze bequem auf gefrorenes statt auf frisches Gewebe angewendet werden, was es Forschern ermöglichen wird, die große Anzahl von Proben zu sammeln, die erforderlich sind, um eine Vielfalt menschlicher Populationen auf der ganzen Welt zu erfassen.

Parallel dazu erkannte eine andere Gruppe von Broad-Wissenschaftlern, dass sie von derselben Methode profitieren würden. Breite Forscher des von den National Institutes of Health finanzierten Projekts Genotype-Tissue Expression (GTEx) hatten dokumentiert, wie kleine Veränderungen in der DNA-Sequenz, einschließlich krankheitsassoziierter Varianten, die Genexpression in Dutzenden von Geweben im menschlichen Körper beeinflussen können. Seit 2010 haben sie Dutzende von Gewebetypen von Hunderten von Spendern mit Methoden analysiert, die Gewebe zu einer Massenmischung verarbeiten, aber sie wollten sehen, wie genetische Variationen einzelne Zellen verändern.

„Wir brauchten einen genaueren Blick auf Zellen innerhalb von Geweben, denn in der Zelle spielt sich Biologie ab, sowohl bei Gesundheit als auch bei Krankheit“, sagte Institutswissenschaftlerin Kristin Ardlie, Mitautorin der neuen Studie und Direktorin des GTEx Laboratory Data Analysis and Koordinationszentrum am Broad.

Bestehende Einzelzell-RNA-Sequenzierungsmethoden können verwendet werden, um frisches Gewebe zu analysieren, aber die Proben in der Gewebebank von GTEx waren alle eingefroren. Ardlie und ihr Team vermuteten, dass die Einzelkernmethoden, die in Regevs Labor entwickelt werden, ihnen eine leistungsstarke Möglichkeit bieten könnten, ihre eingelagerten gefrorenen Proben – und mehr Zelltypen darin – zu analysieren, während sie ihren Kollegen eine umfassende Sammlung menschlicher Gewebe zur Verfügung stellten, die sie verwenden könnten den Single-Nucleus-Ansatz zu benchmarken.

„Die beiden Gruppen brauchten einander zum richtigen Zeitpunkt, um eine neuartige Methode zur Ausweitung dieser Studien aufzubauen“, sagte der Co-Erstautor der Studie, Gökcen Eraslan, Postdoktorand bei Genentech, der damals Mitglied des Klarman Cell Observatory war Studium begann.

Kartieren einer neuen Art von Zellatlas

In der neuen Studie arbeiteten das GTEx-Team, das Regev-Labor und ihre Kollegen zusammen, um eine neue groß angelegte Einzelkern-Sequenzierungspipeline zu entwickeln. Unter der Leitung von Orit Rozenblatt-Rosen, Executive Director of Cell and Tissue Genomics bei Genentech, der während der Studie wissenschaftlicher Direktor des Klarman Cell Observatory war, optimierte das Team zunächst vier verschiedene Einzelkernprotokolle und verwendete sie dann zur Analyse von 200.000 Zellen in gefrorenen Proben von 8 Gewebetypen, die ursprünglich vom GTEx-Projekt gesammelt wurden. Sie verwendeten ein Deep-Learning-basiertes Modell, um Zellprofile über Gewebe, Spender und Methoden hinweg zu vergleichen, und zeigten, dass ihre Einzelkern-Profilierungspipeline genauso gut funktionierte wie Goldstandardmethoden zur Messung von RNA in einzelnen Zellen, während sie einzelne Zelltypen erfassten -cell-Methoden konnten nicht erfasst werden.

Die Forscher erstellten eine gewebeübergreifende molekulare Referenzkarte, die wichtige Daten zu den in verschiedenen Geweben vorkommenden Zelltypen aufzeigt. „Mit diesen neuen Technologien sind wir in der Lage, Zellen in gesundem Gewebe des menschlichen Körpers zu kartieren“, sagte Rozenblatt-Rosen. „Dadurch erhalten wir eine umfassende Grundlage, um zu verstehen, was bei Krankheiten schief geht.“

Die Wissenschaftler zeigten auch, dass der Ansatz neue biologische Erkenntnisse generieren kann, die neue Studien auslösen könnten, die die Ergebnisse mit Gesundheit und Krankheit in Verbindung bringen. Beispielsweise beobachtete das Team in allen Geweben zwei Populationen eines Typs von Immunzellen namens Makrophagen: eine Population, die eine Immunrolle spielt, und eine andere, die die Funktion des Gewebes unterstützt, wobei jeweils unterschiedliche Anteile in verschiedenen Geweben gefunden wurden. Der Befund hilft zu erklären, wie Gewebe ein selbstreguliertes Gleichgewicht oder eine Homöostase erreichen und wie eine Art weißer Blutkörperchen namens Monozyten zu Makrophagen mit unterschiedlichen Funktionen reifen. In der Lunge beobachteten sie auch Bindegewebszellen, sogenannte Fibroblasten, die Genprogramme exprimieren, die typischerweise mit der Funktion von Muskelzellen in Verbindung gebracht werden, was auf eine noch unbeachtete Rolle dieser Zellen im Lungengewebe hindeutet.

Um die Fähigkeit des Atlas zur Unterstützung von Krankheitsstudien zu untersuchen, wandte sich das Team als nächstes einem Katalog von Mendelschen Krankheiten zu, die durch Veränderungen an einem einzelnen Gen verursacht werden. Die Forscher verglichen die bekannten 6.000 Gene, die diesen Erkrankungen zugrunde liegen, mit Daten auf Genebene aus ihrem Atlas und identifizierten neue Zelltypen, die an Krankheiten beteiligt sein könnten, wie z. B. Nicht-Myozyten-Zelltypen, die bei Muskeldystrophie eine Rolle spielen könnten. Sie demonstrierten auch den Wert des Atlas, indem sie bekannte und neue Zelltypen vorschlugen, die eine Reihe häufiger Krankheiten und Merkmale wie Herzkrankheiten oder entzündliche Darmerkrankungen beeinflussen können, indem sie Gene, die in bestimmten Zelltypen angereichert sind, mit Genen verglichen, die durch Gesamtgenomassoziation vorgeschlagen wurden Studien.

„Solche gewebeübergreifenden Zellatlanten können Forschern helfen, die Ursachen von Komorbiditäten zu verstehen und wie genetische Varianten für mehrere Krankheiten oder Zustände bei derselben Person prädisponieren können“, sagte Ayellet Segrè, Co-Seniorautorin der Studie, die assoziiertes Mitglied von Broad ist und Assistenzprofessor an der Mass. Eye and Ear und der Harvard Medical School.

Die Forscher glauben, dass ihr Ansatz nun die Voraussetzungen für Studien in größerem Umfang mit Hunderten von Personen oder mehr mit unterschiedlichem Hintergrund der Vorfahren schafft, um die Gene und Zellen, die sowohl seltenen als auch häufigen Krankheiten zugrunde liegen, weiter zu erforschen.

„Die Profilierung mehrerer Gewebe ist die einzige Möglichkeit, diese Detailgenauigkeit zu sehen“, sagte Eraslan. „Wir wollten schon immer in der Lage sein, den gesamten menschlichen Körper zu profilieren. In der Vergangenheit war das nicht möglich, aber die Technologie und die Algorithmen sind jetzt ausgereift genug, um dies zu tun. Wir haben auf diesen Moment gewartet und jetzt ist er da.“ hier.“

Die Arbeit wurde auch von Eugene Drokhlyansky, leitender Hauptwissenschaftler bei Bristol Myers Squibb, der während der Studie Postdoktorand am Broad war, und François Aguet, Hauptforscher am Illumina Artificial Intelligence Lab und ehemaliger Gruppenleiter im Krebsprogramm von Broad, geleitet.