À de rares exceptions près, chacun des billions de cellules de notre corps porte une copie exacte du génome humain, qui contient entre 20 000 et 25 000 gènes codant pour des protéines. Mais pour exécuter les fonctions spécialisées qui rendent la vie possible, des organes comme les reins, les poumons, le cœur et le cerveau reposent sur des tissus construits à partir de types cellulaires distincts, qui surviennent lorsque des cellules individuelles se développent pour exprimer uniquement un sous-ensemble particulier de gènes dans le génome. .
Jusqu’à récemment, la diversité de l’expression des gènes à travers les types de cellules, connue sous le nom de transcriptome, était difficile à déchiffrer. Mais avec l’essor rapide de la biologie unicellulaire, les scientifiques ont créé des outils et des techniques qui révèlent précisément quels gènes sont exprimés par les cellules individuelles qui composent les tissus et les organes. En plus d’apporter une compréhension plus approfondie de la biologie normale, ces approches unicellulaires promettent d’ouvrir la voie à de nouvelles thérapies, car les maladies frappent généralement des types de cellules spécifiques.
Or, dans un article publié dans Sciencele Tabula Sapiens Consortium, une équipe de plus de 160 experts dirigée par des scientifiques du Chan Zuckerberg Biohub, a dévoilé un immense atlas numérique qui cartographie l’expression des gènes dans près de 500 000 cellules de 24 tissus et organes humains, dont les poumons, la peau, le cœur , et du sang.
L’atlas cellulaire de Tabula Sapiens est le plus grand à inclure plusieurs tissus provenant des mêmes donneurs humains, et le premier à inclure des images histologiques des tissus, et à incorporer des détails sur les communautés microbiennes vivant aux côtés des cellules humaines qui composent les différents compartiments du intestin.
« La qualité et l’étendue de ces données sont sans précédent », a déclaré l’auteur principal Stephen Quake, D.Phil., Lee Otterson Professor of Bioengineering et professeur de physique appliquée à l’Université de Stanford, pour qui Tabula Sapiens est l’accomplissement d’un travail de 20 ans « obsession. » Quake, qui est également président du réseau CZ Biohub, a ajouté : « Cet atlas permettra aux scientifiques de poser et de répondre à des questions sur la santé et les maladies humaines qu’ils n’ont jamais pu aborder auparavant. »
Le nouvel article est l’une des quatre principales études collaboratives publiées dans Science cette semaine, qui ont tous créé des atlas cellulaires inter-tissus complets et librement disponibles dans le cadre du consortium international Human Cell Atlas (HCA). HCA est soutenu par un large éventail de bailleurs de fonds mondiaux, y compris l’Initiative Chan Zuckerberg (CZI). Un financement supplémentaire pour Tabula Sapiens a été fourni par le biais du programme de biologie unicellulaire de CZI.
L’outil open source cellxgene permet d’analyser rapidement et facilement l’énorme ensemble de données Tabula Sapiens à l’aide de dizaines de paramètres. Crédit : CZ Biohub
« Cette collection de travaux est vraiment inspirante », a déclaré Jonah Cool, Ph.D., responsable du programme scientifique pour la biologie unicellulaire au CZI. « Cela dépasse les attentes que nous nous étions fixées lorsque CZI s’est lancé dans le financement de la recherche en biologie unicellulaire et du développement d’outils. Les avancées technologiques qu’ils démontrent ainsi que les connaissances biologiques fournies sont des jalons importants pour le domaine. ressources de référence telles que celles recherchées par le Human Cell Atlas.
Le projet Tabula Sapiens a réuni les contributions d’un large éventail d’experts, y compris des chirurgiens et des spécialistes des tissus pour chaque organe inclus dans l’étude. « Cet effort démontre vraiment tout le potentiel que nous pouvons libérer lorsque nous adoptons l’idée de la recherche en équipe », a déclaré Angela Oliveira Pisco, Ph.D., membre du Consortium Tabula Sapiens, directrice associée de la science des données pour l’équipe de science cellulaire quantitative de CZ Biohub. « Nous avons coordonné un effort précis, cohérent et complet avec plus de 160 personnes, et c’est en soi un exploit merveilleux pour la science. »
Grâce à un partenariat étroit avec Donor Network West, une organisation d’approvisionnement en organes à but non lucratif du nord de la Californie, Tabula Sapiens offre l’une des vues les plus larges disponibles sur les cellules saines dans tout le corps. « L’étude cartographie les éléments constitutifs des biospécimens obtenus dans le cadre d’un projet plutôt unique et démontre la valeur remarquable des tissus et organes non transplantés pour la recherche préclinique », a déclaré Ahmad Salehi, MD, Ph.D., directeur de la recherche de Donor Network West. .
En une seule session, par exemple, des dizaines de chirurgiens, de scientifiques et de coordonnateurs du rétablissement ont travaillé toute la nuit pour collecter les cellules de 17 tissus et organes d’un seul donneur humain, dans l’heure qui a suivi le retrait du système de survie et le prélèvement d’organes. pour la transplantation. Cette approche rapide offre la possibilité d’étudier les différences de types de cellules sans la dégradation de la qualité des données qui peut se produire lors de l’utilisation de tissus congelés. De plus, l’utilisation d’échantillons provenant d’un seul donneur simplifie l’analyse des données, éliminant le besoin de contrôler les différences génétiques, liées à l’âge et environnementales entre les individus.
« Si nous lisons suffisamment de fragments d’ARN, c’est comme avoir un télescope à haute résolution qui peut voir dans 25 000 dimensions », a déclaré Bob Jones, ingénieur de recherche principal au Département de bioingénierie de Stanford et membre du Consortium Tabula Sapiens. « C’est un détail incroyable. »
Tabula Sapiens comprend uniquement une analyse des produits d’épissage alternatif, un processus cellulaire par lequel différents transcrits d’ARN peuvent provenir d’un seul gène, conduisant à de nombreuses variantes de protéines. « Parce que plusieurs transcrits d’ARN peuvent provenir de chacun de nos 25 000 gènes, il devient très difficile de caractériser fonctionnellement chaque gène et ce qu’il peut coder dans le » laboratoire humide « », a déclaré Julia Salzman, membre du Consortium Tabula Sapiens, Ph.D., professeur agrégé de science des données biomédicales et de biochimie à Stanford. « Ce type de recherche ne peut pas être piloté par l’expérimentation, il doit être piloté par les données. »
Dans une surprise déjà dévoilée par Tabula Sapiens, a déclaré Salzman, les chercheurs ont découvert que des ensembles de gènes domestiques – ainsi appelés parce qu’on pensait qu’ils géraient les fonctions de base de la même manière dans chaque cellule – avaient probablement beaucoup plus de rôles dans le corps qu’il ne l’était. pensé auparavant. Et dans l’article scientifique, l’équipe rapporte que CD47, une protéine impliquée à la fois dans le cancer et dans l’accumulation de plaques dangereuses sur les parois des artères, peut différer considérablement d’une cellule à l’autre, une découverte qui pourrait guider le développement de médicaments qui sont plus efficaces ou ont moins d’effets secondaires. L’article scientifique révèle également que le microbiome de l’intestin est « inégal » plutôt qu’uniforme – les données de Tabula Sapiens montrent que des populations microbiennes distinctes existent à quelques centimètres l’une de l’autre dans le tube digestif.
« Nous révélons déjà une nouvelle biologie importante que nous n’aurions tout simplement pas eu la possibilité de connaître sans Tabula Sapiens », a déclaré Salzman. « Avec cet atlas, nous avons une énorme opportunité d’améliorer notre compréhension du fonctionnement du corps humain. »
Tabula Sapiens est accessible via un outil gratuit et facile à utiliser portail de données, qui propose des liens vers toutes les composantes de l’atlas multimodal. « Nous nous engageons à rendre nos données facilement et largement accessibles », a déclaré Pisco du Biohub. « Permettre aux scientifiques ayant des compétences différentes de tirer pleinement parti de ressources incroyables telles que Tabula Sapiens accélérera le progrès scientifique. »
Un outil convivial et en libre accès appelé cellxgène (« cell-by-gene »), développé par le groupe Science Technology de CZI, signifie que même les scientifiques sans formation informatique peuvent utiliser Tabula Sapiens dans leur travail. L’outil, intégré au portail Tabula Sapiens, aide déjà les scientifiques à aborder une variété de questions, telles que la compréhension des types de cellules les plus sujettes aux mutations génétiques délétères, la façon dont les populations de cellules immunitaires diffèrent dans divers organes et l’identification des tissus vulnérables aux attaques. par le virus qui cause le COVID-19.
« Notre outil cellxgene aide les scientifiques, comme ceux du Consortium Tabula Sapiens, à répondre à des questions fondamentales sur la biologie humaine en quelques secondes, et non en plusieurs années », a déclaré Phil Smoot, responsable de la science et de la technologie et vice-président de l’ingénierie chez CZI. « Nous sommes ravis de voir comment d’autres scientifiques tireront parti de cette plate-forme pour approfondir notre compréhension de la santé et des maladies humaines. »
La Tabula Sapiens : un atlas transcriptomique unicellulaire multi-organes de l’homme, Science (2022). DOI : 10.1126/science.abl4896. www.science.org/doi/10.1126/science.abl4896
Fourni par Chan Zuckerberg Biohub