Эта инновация, опубликованная в Nature Biotechnology, свидетельствует о значительном ускорении исследований в области одноклеточной геномики.
Что такое секвенирование одной клетки?
Все мы начинаем с одной клетки, но быстро превращаемся в триллионы.
Геном этой первой клетки копируется во все остальные – так как же нам получить столько разных типов клеток?? В течение многих лет ученые пытались выяснить, как гены включаются и выключаются в разных клетках в разное время их развития, чтобы клетки могли выполнять определенные функции.
Секвенирование отдельных клеток изменило эту область исследований, позволив ученым изучать гены в отдельных клетках, а не в больших кусках ткани. При массовом изучении ячеек коллекция может казаться однородной, но на самом деле содержит много разных типов ячеек. Из-за этого результаты представляют собой среднее.
Они указывают исследователям многообещающее направление, но не дают точных сведений.
Позволяя исследователям исследовать только одну клетку за раз, секвенирование одной клетки меняет определение анатомии. Он просеивает клетки, которые кажутся похожими на поверхности, выделяя новые типы клеток и значительно улучшая способность находить отдельные гены, которые управляют здоровыми функциями или болезненными процессами в организме.
ATAC-seq
В этом исследовании исследователи сосредоточились на типе секвенирования, называемом ATAC-seq (анализ доступного для транспозаз хроматина с использованием секвенирования). Каждая клетка человека содержит два метра ДНК, плотно упакованных в микроскопическое ядро.
ATAC-seq определяет, какие части ДНК размотаны и доступны для белков.
«Это немного похоже на открытие многомерного чемодана, чтобы достать одежду», – сказала Фабиана Дуарте, со-ведущий автор исследования и научный сотрудник лаборатории Джейсона Буэнростро в Гарварде. "Если часть генома доступна, фермент может разрезать и пометить ее. Затем мы находим последовательности всех помеченных ДНК."
Гены контролируются множеством разных белков. Факторы транскрипции, например, связываются с фрагментом ДНК и передают механизм, который его читает. Существует бесчисленное множество факторов транскрипции, и каждый из них распознает и связывается с очень специфической последовательностью ДНК. Эта последовательность называется мотивом, и, поскольку она настолько специфична, ее можно пометить в данных ATAC-seq.
С тех пор, как Буэнростро и его коллеги впервые разработали ATAC-seq в 2013 году, эта область быстро развивалась. Эта технология повсеместно используется в сообществе специалистов по геномике, например, в проекте Human Cell Atlas, для понимания и отображения функции генома.
Но этот сложный процесс был трудоемким и неэффективным, и лишь небольшая часть ячеек давала надежные результаты.
Увеличение масштаба
Новый подход, разработанный в этом исследовании, делает ATAC-seq намного более эффективным. Если предыдущие подходы позволяли профилировать 100 клеток на реакцию, новый метод профилирует 50000 клеток.
"Мы расширили его, чтобы можно было легко профилировать множество клеток в ткани человека. Метод прост, так что вы можете запустить эксперимент за день, от начала до конца. Это позволит исследователям достичь гораздо большего за гораздо более короткое время », – сказал Буэнростро, доцент кафедры стволовых клеток и регенеративной биологии Гарварда.
Одной из самых больших проблем при секвенировании отдельных клеток является выделение исследуемых клеток.
Новый метод решает эту проблему с помощью микрофлюидики и капель.
«Мы работали с командой Bio-Rad над этим методом», – сказал Дуарте. "Один канал устройства доставляет ячейку, а другой добавляет бусинку – и каждая бусинка имеет ярлык со штрих-кодом. Там, где они встречаются, там масло – так что получаются капельки.
Каждая капля имеет ячейку и бусинку. Вы можете добавить в устройство много ячеек, чтобы получать данные по индивидуально помеченным ячейкам."
Но дьявол кроется в деталях, как скажет вам любой компьютерный биолог.
"В идеале у вас должна быть по одной бусинке в каждой капле. Но на практике, чтобы убедиться, что каждая ячейка помечена, в каплях может оказаться более одной бусинки », – сказал Калеб Ларо, соавтор и аспирант лаборатории Буэнростро. "Наше новое программное обеспечение идентифицирует эти случаи и объединяет их, чтобы вы могли идентифицировать отдельные ячейки, которые сначала могли выглядеть как множество."
«Благодаря экспериментальным и вычислительным инновациям теперь мы можем получить профили для 95% ячеек, которые вводятся в машину.
Это примерно с 20 до 30% – как днем и ночью », – сказал Ларо.
Ускорение исследований
«Этот капельный подход будет доступен биомедицинским исследователям во всех областях как стандартная технология, и я очень горжусь тем, что мы помогли ему добраться до этой стадии», – сказал Буэнростро, который также является преподавателем Гарвардского университета.
Институт стволовых клеток. «В этом исследовании мы также разработали метод внутри метода: штрих-кодирование добавило еще один уровень тегов, который позволил нам увеличить количество клеток, которые мы могли бы проанализировать, в десять или более раз. Это меняет вопросы, которые вы можете задать, и то, насколько быстро вы можете найти ответы – я думаю, что теперь исследования будут продвигаться намного быстрее."