Un atlas unicellulaire massif à travers les tissus humains met en évidence les types de cellules où les gènes de la maladie sont actifs

Des études génétiques ont révélé de nombreux gènes liés à des maladies courantes et rares, mais pour comprendre comment ces gènes provoquent des maladies et utiliser ces connaissances pour aider à développer des thérapies, les scientifiques doivent savoir où ils sont actifs dans le corps. La recherche sur des cellules individuelles peut aider à atteindre cet objectif, en étudiant l’activité des gènes dans des types de cellules spécifiques. Les scientifiques doivent profiler tous les types de cellules et les comparer entre les organes du corps pour en savoir plus sur la gamme complète des maladies humaines, mais cela est difficile à faire avec les méthodes existantes.

Maintenant, des chercheurs du Broad Institute du MIT et de Harvard ont développé un pipeline expérimental robuste qui peut profiler beaucoup plus de types de cellules à partir de plus de tissus que ce qui peut être étudié avec d’autres techniques, ainsi que des méthodes d’apprentissage automatique pour rassembler ces données et interroger la carte résultante. , ou atlas. L’équipe l’a utilisé pour identifier des types de cellules spécifiques de divers tissus impliqués dans de multiples maladies. Leur approche permettra d’autres études à grande échelle de divers types de cellules et des comparaisons entre les tissus, y compris les cellules de tissus congelés qui peuvent être prélevées sur de nombreux patients. Ce travail ouvre une multitude d’échantillons stockés dans des collections de recherche du monde entier pour ce type d’analyse unicellulaire, et rapproche également les scientifiques d’un énorme pas en avant vers leur objectif d’un atlas des cellules humaines qui répertorie chaque type de cellule dans le corps humain, chez un grand nombre d’individus d’horizons divers.

Les études précédentes sur une seule cellule se sont principalement concentrées sur un type de tissu à la fois, pour créer des cartes spécifiques aux tissus. À l’aide de leur nouveau pipeline, l’équipe a construit un atlas massif de centaines de milliers de cellules dans plusieurs tissus du corps. Cela leur a permis de découvrir de nouvelles fonctions et programmes d’expression génique inattendus pour plusieurs types de cellules, tels que les programmes de cellules musculaires exprimés dans les cellules du tissu conjonctif pulmonaire. Les résultats ont également révélé des similitudes génétiques entre les cellules de différents tissus et lié pour la première fois certains types de cellules à des maladies spécifiques.

L’atlas est le premier atlas inter-tissus à être basé sur des mesures de l’activité génique dans les noyaux cellulaires individuels, ce qui a permis à l’équipe de capturer une plus grande variété de types de cellules que les méthodes existantes qui mesurent l’expression génique de la cellule entière.

Les chercheurs affirment que leur atlas stimulera de nombreuses nouvelles études sur la santé et la maladie, et l’ont ouvertement partagé avec la communauté scientifique par le biais du Portail GTEx et les Broad Portail unicellulaire.

Cette étude fait partie du programme international Atlas des cellules humaines (HCA), qui vise à cartographier chaque type de cellule du corps humain comme base à la fois pour comprendre la santé humaine et pour diagnostiquer, surveiller et traiter les maladies. Consortium ouvert, mondial et dirigé par des scientifiques, HCA est un effort collaboratif de chercheurs, d’instituts et de bailleurs de fonds du monde entier, avec plus de 2 300 membres de 83 pays à travers le monde.

L’article est l’une des quatre principales études collaboratives pour le Human Cell Atlas publiées dans Science cette semaine, qui ont créé des atlas cellulaires inter-tissus complets et librement disponibles. Les études complémentaires mettent en lumière la santé et la maladie et contribueront à la création d’un atlas unique des cellules humaines.

« Ces études représentent un moment clé pour la recherche sur les cellules uniques et l’Atlas des cellules humaines », a déclaré Aviv Regev, co-auteur principal de l’étude qui était membre principal de l’institut au Broad lorsque l’étude a commencé et est actuellement à la tête de Genentech Research. et Développement précoce. « Dans notre étude, nous avons montré que cette approche peut générer des informations cruciales sur le rôle des cellules et des tissus dans de nombreuses maladies, ce qui suscitera de nouvelles enquêtes scientifiques et biomédicales visant un objectif commun de révolutionner la médecine. »

Les bonnes équipes au bon moment

Au cours de la dernière décennie, Regev et d’autres de l’observatoire cellulaire de Klarman au Broad ont été des chefs de file dans le développement et la mise en œuvre de techniques qui analysent l’activité des gènes, ou l’expression de l’ARN, dans des cellules individuelles, mais ces méthodes ne fonctionnent pas bien sur les grandes cellules de tissus adipeux ou musculaires ou sur des cellules délicates comme les neurones. Les scientifiques du laboratoire Regev ont donc commencé à développer de nouvelles approches qui pourraient être appliquées à une plus grande variété de types de cellules en isolant le noyau de la cellule pour la mesure de l’ARN, plutôt que la cellule entière. De plus, ces approches peuvent facilement être appliquées à des tissus congelés plutôt qu’à des tissus frais, ce qui permettra aux chercheurs de collecter le grand nombre d’échantillons nécessaires pour capturer une diversité de populations humaines dans le monde.

En parallèle, un autre groupe de scientifiques de Broad s’est rendu compte qu’ils bénéficieraient de cette même méthode. De grands chercheurs du projet Genotype-Tissue Expression (GTEx), financé par les National Institutes of Health, avaient documenté comment de petits changements dans la séquence d’ADN, y compris les variantes associées à la maladie, peuvent avoir un impact sur l’expression des gènes dans des dizaines de tissus du corps humain. Depuis 2010, ils ont analysé des dizaines de types de tissus provenant de centaines de donneurs en utilisant des méthodes qui transforment les tissus en un mélange en vrac, mais ils voulaient voir comment la variation génétique altérait les cellules individuelles.

« Nous avions besoin d’un regard plus précis sur les cellules dans les tissus, car la cellule est l’endroit où la biologie se produit, à la fois dans la santé et la maladie », a déclaré la scientifique de l’institut Kristin Ardlie, co-auteure principale de la nouvelle étude et directrice du GTEx Laboratory Data Analysis and Centre de coordination au Broad.

Les méthodes existantes de séquençage d’ARN unicellulaire peuvent être utilisées pour analyser des tissus frais, mais les échantillons de la banque de tissus de GTEx étaient tous congelés. Ardlie et son équipe soupçonnaient que les méthodes à noyau unique développées dans le laboratoire de Regev pourraient leur donner un moyen puissant d’analyser leurs échantillons congelés en banque – et plus de types de cellules en leur sein – tout en fournissant à leurs collègues une collection complète de tissus humains qu’ils pourraient utiliser pour comparer l’approche à noyau unique.

« Les deux groupes avaient besoin l’un de l’autre, au bon moment, pour construire une nouvelle façon d’intensifier ces études », a déclaré le co-premier auteur de l’étude, Gökcen Eraslan, boursier postdoctoral à Genentech qui était membre du Klarman Cell Observatory lorsque le l’étude a commencé.

Tracer un nouveau type d’atlas cellulaire

Dans la nouvelle étude, l’équipe GTEx, le laboratoire Regev et leurs collègues ont collaboré pour développer un nouveau pipeline de séquençage à noyau unique à grande échelle. Dans un effort dirigé par Orit Rozenblatt-Rosen, directeur exécutif de la génomique cellulaire et tissulaire chez Genentech qui était directeur scientifique de l’Observatoire cellulaire de Klarman pendant l’étude, l’équipe a d’abord optimisé quatre protocoles à noyau unique différents, puis les a utilisés pour analyser 200 000 cellules. dans des échantillons congelés de 8 types de tissus initialement collectés par le projet GTEx. Ils ont utilisé un modèle basé sur l’apprentissage en profondeur pour comparer les profils cellulaires entre les tissus, les donneurs et les méthodes, et ont montré que leur pipeline de profilage à noyau unique fonctionnait aussi bien que les méthodes de référence pour mesurer l’ARN dans des cellules individuelles, tout en capturant les types de cellules qui -les méthodes cellulaires n’ont pas pu capturer.

Les chercheurs ont généré une carte de référence moléculaire intertissulaire qui révèle des données critiques sur les types de cellules résidant dans divers tissus. « Grâce à ces nouvelles technologies, nous sommes en mesure de cartographier les cellules dans les tissus sains du corps humain », a déclaré Rozenblatt-Rosen. « Cela nous donne une base complète pour comprendre ce qui ne va pas dans la maladie. »

Les scientifiques ont également démontré que l’approche peut générer de nouvelles connaissances biologiques, ce qui peut déclencher de nouvelles études reliant les résultats à la santé et à la maladie. Par exemple, dans tous les tissus, l’équipe a observé deux populations d’un type de cellules immunitaires appelées macrophages : une population qui joue un rôle immunitaire et une autre qui soutient la fonction du tissu, avec des proportions différentes de chacune dans divers tissus. La découverte aide à expliquer comment les tissus parviennent à un équilibre autorégulé, ou homéostasie, et comment un type de globule blanc appelé monocytes se transforme en macrophages aux fonctions différentes. Dans les poumons, ils ont également observé des cellules du tissu conjonctif appelées fibroblastes qui expriment des programmes géniques généralement associés à la fonction des cellules musculaires, suggérant un rôle encore méconnu de ces cellules dans le tissu pulmonaire.

Pour explorer la capacité de l’atlas à soutenir les études sur les maladies, l’équipe s’est ensuite tournée vers un catalogue de maladies mendéliennes, qui sont causées par des modifications d’un seul gène. Les chercheurs ont croisé les 6 000 gènes connus sous-jacents à ces troubles avec les données au niveau des gènes de leur atlas et ont identifié de nouveaux types de cellules qui pourraient être impliqués dans la maladie, tels que les types de cellules non myocytes qui peuvent jouer un rôle dans la dystrophie musculaire. Ils ont également démontré la valeur de l’atlas en proposant des types de cellules connus et nouveaux qui peuvent affecter une gamme de maladies et de traits courants, comme les maladies cardiaques ou les maladies inflammatoires de l’intestin, en comparant les gènes enrichis en types de cellules spécifiques aux gènes suggérés par l’association du génome entier. études.

« De tels atlas cellulaires intertissulaires peuvent aider les chercheurs à comprendre les causes des comorbidités et comment les variantes génétiques peuvent prédisposer à plusieurs maladies ou conditions chez la même personne », a déclaré Ayellet Segrè, co-auteur principal de l’étude qui est membre associé de Broad et professeur adjoint à la Mass. Eye and Ear et à la Harvard Medical School.

Les chercheurs pensent que leur approche ouvre désormais la voie à des études à plus grande échelle, sur des centaines d’individus ou plus de divers horizons ancestraux, afin d’explorer plus avant les gènes et les cellules sous-jacents aux maladies rares et courantes.

« Le profilage de plusieurs tissus est le seul moyen de voir ce niveau de détail », a déclaré Eraslan. « Nous avons toujours voulu pouvoir profiler l’ensemble du corps humain. Dans le passé, ce n’était pas possible, mais la technologie et les algorithmes sont suffisamment matures pour le faire maintenant. Nous attendions que ce moment vienne et maintenant c’est ici. »

Les travaux ont également été dirigés par Eugene Drokhlyansky, chercheur principal à Bristol Myers Squibb, qui était chercheur postdoctoral au Broad pendant l’étude, et François Aguet, chercheur principal au Laboratoire d’intelligence artificielle Illumina et ancien chef de groupe du Broad’s Cancer Program.