Биоинженерите разработват алгоритъм за сравняване на клетките по видове – с изненадващи резултати

Изследователите са създали алгоритъм за идентифициране на подобни клетъчни типове от видове – включително риби, мишки, плоски червеи и гъби – които се различават в продължение на стотици милиони години, което може да помогне за преодоляване на пропуските в нашето разбиране за еволюцията.

Клетките са градивните елементи на живота и те присъстват във всяко живо същество. Но колко мислите, че клетките ви приличат на мишка? Риба? червей?

Сравняването на клетъчните типове в различни видове на дървото на живота може да помогне на биолозите да разберат как са възникнали клетъчните типове и как те са се приспособили към функционалните нужди на различните форми на живот. Това е обект на нарастващ интерес в еволюционните биолози през последните години, тъй като новите технологии сега позволяват последователността и идентифицирането на всички клетки във всички живи същества. „В основата на научната общност съществува вълна за класифициране на всички видове клетки в различни организми“, обясни Бо Уанг, асистент по биоинженерство в Станфордския университет.

В отговор на тази възможност лабораторията на Уанг разработи алгоритъм за свързване на подобни типове клетки на еволюционно разстояние. Техният метод, подробно описан в статия, публикувана на 4 май 2021 г., на eLife, Проектиран е за сравняване на типове клетки в различни типове.

В своето изследване екипът използва седем типа, за да сравни 21 различни двойки и успя да идентифицира видовете клетки, открити във всички видове, заедно с техните прилики и разлики.

Сравнете типовете клетки

Според Александър Тарашански, аспирант по биоинженерство, работещ в лабораторията на Уанг, идеята да се създаде алгоритъм дойде, когато Уан един ден влезе в лабораторията и го попита дали може да анализира набори от данни от клетъчен тип от два различни вида червеи, върху които се провеждат лабораторни изследвания. Същото време.

„Бях изумен колко очевидни са разликите между тях“, каза Тарашански, който беше водещ автор на статията и интердисциплинарен сътрудник в Stanford Bio-X. Мислехме, че те трябва да имат подобни типове клетки, но когато се опитваме да ги анализираме с помощта на стандартни техники, методът не ги разпознава като Те са еднакви. „

Той се зачуди дали това е проблем с технологията или клетъчните типове са твърде различни, за да се съчетаят между различните видове. Тогава Тарашански започна да работи по алгоритъма за по-добро съвпадение на видовете клетки.

„Да предположим, че искам да сравня гъба с човек“, каза Тарашански. „Всъщност не е ясно кой от гъбения ген съответства на който и да е човешки ген, тъй като с еволюцията на организмите гените се размножават и променят и повтарят отново. Сега имате един ген в гъбата, който може да е свързан с много гени при хората. „

Вместо да се опитва да намери генетично съвпадение като предходни методи за съвпадение на данните, методът на изследователите за картографиране съвпада с един ген в гъба с всички възможни съответстващи човешки гени. След това алгоритъмът продължава, за да види кой е правилният.

Тарашански казва, че опитът да се намерят само отделни генни двойки е ограничил стремежа на учените да картографират типовете клетки в миналото. „Мисля, че основната иновация тук е, че ние вземаме предвид характеристиките, които са се променили в продължение на стотици милиони години еволюция за далечни сравнения.“

„Как можем да използваме непрекъснато развиващите се гени, за да разпознаем един и същи тип клетки, които също се променят постоянно при различни видове?“ Саид Уанг, първи автор на статията. „Еволюцията се разбира като се използват гени и органични черти, мисля, че сега сме на вълнуваща повратна точка за преодоляване на скалите, като разгледаме как се развиват клетките.“

Напълнете дървото на живота

Използвайки подход за картографиране, екипът открива редица запазени гени и семейства от клетъчни типове в различните видове.

Най-важното в изследването, каза Тарашански, беше, когато сравняваха стволови клетки между два много различни вида плоски червеи.

„Фактът, че открихме едно към едно съвпадение в клъстерите на стволови клетки, беше наистина вълнуващ“, каза той. „Мисля, че в основата си това е открило много нова и вълнуваща информация за това как стволовите клетки се появяват в паразитен плосък червей, който заразява стотици милиони хора по целия свят.“

Резултатите от картографирането на екипа също показват, че има стабилна защита на свойствата на невроните и мускулните клетки от много прости животински видове, като гъби, до по-сложни бозайници като мишки и хора.

Уанг каза: „Това наистина показва, че тези видове клетки са възникнали много рано в еволюцията на животните.“

Сега, когато екипът е изградил инструмент за сравнение на клетките, изследователите могат да продължат да събират данни за различни видове за анализ. Тъй като се събират и сравняват повече набори от данни от повече видове, биолозите ще могат да проследят пътя на клетъчните типове в различните организми и способността за разпознаване на нови клетъчни типове ще се подобри.

„Ако сте имали само гъби, а след това червеи и сте загубили всичко между тях,“ каза Тарашански, „е трудно да се знае как са се развивали типовете гъбести клетки или как техните предци са се диверсифицирали в гъби и червеи.“ „Искаме да попълним колкото се може повече възли по дървото на живота, за да можем да улесним този тип еволюционен анализ и да прехвърлим знания между видовете.“

Справка: „Картографиране на едноклетъчни атласи през метазои разкрива еволюция на клетъчния тип“ Публикувано от Александър Дж. Тарашански, Джейкъб М. Мозер, Маргарита Харитон, Пенджианг Ли, Детлев Аренд, Стивън Р. Куайк, Бо Уанг, 4 май 2021 г., eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.66747

Други съавтори в Станфорд включват магистранти Маргарита Харитон, Бингянг Лий и Стивън Куик, професор по биоинженерство Лий Отерсън и професор по приложна физика и съпредседател на Чан Зукърбърг Биохуб. Останалите съавтори са от Европейската лаборатория за молекулярна биология и Университета в Хайделберг. Уанг също е член на Stanford Bio-X и Wu Cai Institute of Neurosciences. Kwik е член на Bio-X, Станфордския сърдечно-съдов институт, Станфордския институт за рак и Института по неврология Wu Tsai.

Това изследване е финансирано от Stanford Bio-X, наградата Beckman Young Investigator Award и Националните здравни институти. Уанг и Куик ще надграждат тази работа като част от инициативата Neuro-Omics, финансирана от Института по неврология Wu Tsai.