В новом исследовании, опубликованном в научном журнале Nature, группа исследователей из институтов Гладстона в сотрудничестве с Люксембургским центром системной биомедицины (LCSB) Университета Люксембурга впервые раскрывает полный спектр клеток, которые поступают в организм. вместе, чтобы сделать сердце на самых ранних стадиях формирования эмбриона. Они также раскрыли, как контролируются клетки, и как мутация только в одном гене может иметь катастрофические последствия, затрагивая крошечную группу клеток, составляющих орган.
Врожденные пороки сердца – самый распространенный и самый смертельный врожденный дефект у человека. Благодаря появлению новой мощной технологии, известной как секвенирование одноклеточной РНК, исследователи наконец смогли определить роль десятков тысяч отдельных клеток в формировании сердца, что важно для определения того, как генетические мутации вызывают болезнь.
«Благодаря секвенированию генома нам теперь легче находить генетические варианты, которые, по нашему мнению, способствуют развитию заболевания», – сказал президент Гладстона и старший исследователь Дипак Шривастава, доктор медицины, который руководил исследованием. "Большой проблемой является выяснение конкретного типа клеток, в котором функционирует этот вариант, и того, как эти клетки подвергаются воздействию. Это было особенно сложно при врожденных дефектах, учитывая, что генетические варианты влияют только на небольшую часть клеток в органе.
С помощью одноклеточных технологий мы, наконец, можем начать разгадывать механизмы, лежащие в основе дефектов, генетическая причина которых нам известна."
Каталог, который составил Шривастава и его команда, содержит все гены, которые активны на разных стадиях развития сердца, и определяет клетки, в которых они могут быть найдены. Он представляет собой первый шаг в установлении связи между генетическим вариантом и конкретным типом клеток.
«Это может, среди прочего, сказать нам, какое подмножество клеток выполняет критические функции в определенных областях сердца, а какие вносят вклад в основную причину заболевания, связанного с генетическими мутациями», – пояснила аспирантка Иванка Де Сойса. в лаборатории Шриваставы и первый автор исследования.
Богатый источник данных о развитии сердца
Чтобы заполнить репозиторий, исследователи изучили около 40000 отдельных сердечных клеток на мышиной модели развития сердца. Технология, которая сделала возможным это исследование, – секвенирование одноклеточной РНК.
Этот сложный метод, который был коммерчески доступен только в течение последних 3 лет в его нынешнем виде, позволил ученым одновременно собирать данные о тысячах отдельных клеток.
«Этот метод секвенирования позволил нам увидеть все различные типы клеток, присутствующих на разных стадиях развития сердца, и помог нам определить, какие гены активируются и подавляются на этом пути», – сказал Кейси А. Гиффорд, доктор философии, научный сотрудник Gladstone, ведущий автор статьи. «Мы не только смогли раскрыть существование неизвестных типов клеток, но также получили лучшее понимание функции и поведения отдельных клеток – информации, к которой мы никогда не могли получить доступ раньше."
После того, как они определили многочисленные типы клеток, участвующих в развитии сердца, команда захотела узнать, как генерируются эти разнообразные типы клеток. Для этого они объединились с компьютерными биологами из LCSB, которые специализируются на использовании данных секвенирования одноклеточной РНК, чтобы раскрыть молекулярные движущие силы различных типов клеток.
«Наша группа имеет долгую историю разработки вычислительных моделей для понимания конверсии клеток», – объяснил Антонио Дель Соль, глава группы вычислительной биологии в LCSB и профессор исследований Икербаск в Исследовательском центре CIC bioGUNE в Бильбао, Испания. "У нас есть опыт изучения целых сетей генов, контролирующих идентичность клеток. Когда мы присоединились к проекту, мы применили наш метод, чтобы предсказать – без каких-либо предварительных знаний – какие молекулярные факторы определяют судьбу этих различных сердечных клеток."
Открытие, которое создавалось 20 лет
Вычислительный анализ предсказал гены, участвующие в создании определенных типов клеток в сердце, что пролило свет на функцию этих клеток.
Анализ также указал на одного крупного игрока, ген под названием Hand2, который может контролировать активность тысяч других генов, и который Шривастава обнаружил и назвал более двух десятилетий назад.
Затем, будучи молодым исследователем, Шривастава потратил годы на изучение роли этого гена и главного регулятора. В конце концов он обнаружил, что это один из важнейших генов формирования сердца. Но около 10 лет назад, пытаясь выяснить, как этот ген на самом деле влияет на сердечные клетки, составляющие этот орган, его работа зашла в тупик, потому что научных инструментов для проведения исследований не существовало.
Сегодня его усилия были наконец возрождены благодаря новым технологиям.
Применяя секвенирование одноклеточной РНК, он и его сотрудники смогли получить гораздо более подробную и полную картину того, как потеря Hand2 приводит к нарушению регуляции различных популяций клеток.
Мыши, у которых отсутствует ген Hand2, не могут сформировать камеру правого желудочка, которая перекачивает кровь в легкие.
Удивительно, но новое предсказание, сделанное люксембургскими исследователями, показало, что Hand2 не требуется для клеток, которым даны инструкции стать клетками правого желудочка, но что он имеет решающее значение для формирования клеток тракта оттока, структуры, в которой основные исходящие кровеносные сосуды сердца возникать.
«Это не имело смысла на основании предыдущих выводов», – сказал Де Сойса. «Однако мы обнаружили, что на самом деле Hand2 имеет очень разные функции для разных типов клеток."
Расчетный прогноз оказался верным.
Команда обнаружила, что сердца без гена Hand2 никогда не образовывали клетки оттока, но создавали клетки правого желудочка. В хореографии сердца недостаточно сделать клетку, она также должна попасть в нужное место по отношению к другим "танцорам"."Без Hand2 клетки правого желудочка были созданы, но застряли в своем происхождении, не имея возможности двигаться в развивающееся сердце.
«Наши совместные открытия заставили нас изменить наше представление о формировании сердца и показали, как нарушение судьбы, миграции или выживания нескольких клеток может вызвать порок сердца», – добавил Де Сойса.
Обнадеживающее будущее лечения врожденных пороков сердца
Исследование выявило механизмы, с помощью которых относительно небольшие популяции клеток поражаются в процессе развития и приводят к дефектам формирования сердца. Это также открытие, которое было бы невозможно без технологии секвенирования одноклеточной РНК.
«Одноклеточные технологии могут информировать нас о том, как формируются органы способами, которые мы не могли понять раньше, и могут выявить основную причину заболевания, связанного с генетическими вариациями», – сказал Гиффорд. «Мы выявили тонкие различия в очень, очень маленьких подмножествах клеток, которые на самом деле имеют катастрофические последствия и могли быть легко упущены из виду в прошлом. Это первый шаг к разработке новых методов лечения."
Примечательно, что новый каталог сердечных клеток теперь может быть полезен ученым и врачам, интересующимся различными аспектами развития сердца. Зная типы клеток, участвующих в нормальном и ненормальном формировании сердца, научное сообщество может приступить к разработке стратегий по исправлению генетических вариантов, вызывающих врожденные пороки сердца.
Эти результаты могут также служить ориентиром для терапевтических подходов к помощи как новорожденным, так и растущему взрослому населению с врожденными пороками сердца.
«Благодаря хирургическим вмешательствам мы стали очень хорошими в сохранении жизни большинства детей с пороками сердца», – сказал Шривастава, который также является детским кардиологом в детской больнице UCSF Benioff и профессором педиатрии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. "В результате у нас почти 2.5 миллионов выживших от врожденного порока сердца в Соединенных Штатах сегодня."
Когда детям с врожденным дефектом посчастливилось выжить, то генетическое заболевание, которое вызвало проблемы с развитием, может привести к постоянным трудностям с поддержанием здоровья сердца на протяжении всей жизни.
«Мы начинаем видеть долгосрочные последствия у взрослых, и прямо сейчас у нас нет никакого способа их лечить», – добавил Шривастава. "Я надеюсь, что если мы сможем понять генетические причины и типы пораженных клеток, мы потенциально сможем вмешаться вскоре после рождения, чтобы предотвратить ухудшение их состояния с течением времени."
Для Шриваставы святым Граалем было бы получить настолько четкое представление о механизмах, вызывающих врожденные пороки сердца, что они могли бы разработать превентивные стратегии для людей, которые генетически подвержены риску.
«Фолиевая кислота – лучшая парадигма – будущие матери теперь потребляют более высокий уровень этого витамина и могут успешно предотвратить почти две трети случаев расщелины позвоночника», – сказал он. "Конечная цель – разработать аналогичные меры общественного здравоохранения, которые могли бы снизить общую частоту врожденных дефектов за счет профилактики. Но сначала мы должны знать, где и как вмешаться."