Abordarea Cell Village evidențiază diferențele genetice în adaptabilitatea celulelor
Cum se divide o celulă și cât de bine supraviețuiește sunt aspecte fundamentale ale vieții, influențând totul, de la dimensiunea organelor până la capacitatea organismului de a face față bolilor.
Această combinație, cunoscută sub denumirea de fitness celular, nu este aceeași pentru toată lumea. Diferențele genetice și de mediu pot înclina balanța către tulburări de dezvoltare, degenerarea țesuturilor și cancer. Identificarea acestor diferențe ar putea ajuta la explicarea de ce unii oameni sunt mai vulnerabili decât alții la anumite boli sau expuneri toxice – și, în cele din urmă, ar putea ghida tratamentele și prevenția personalizată.
Însă, măsurarea fitness-ului celular în diverse fundaluri genetice a fost, de-a lungul timpului, o provocare. Diversitatea donatorilor este limitată, iar cultivarea celulelor fiecărei persoane în vase separate este lentă, costisitoare și vulnerabilă la mici variații de manipulare între fiecare recipient.
Într-un studiu publicat în American Journal of Human Genetics, cercetătorii de la UCLA abordează această problemă printr-o metodă numită „cell village”: combinând celulele progenitoare neuronale – celulele timpurii care construiesc creierul în dezvoltare – din zeci de donatori genetici distincți într-o cultură comună, unde celulele fiecărui donator cresc în condiții identice.
„Prin utilizarea satelor de celule, eliminăm o mare parte din zgomotul tehnic care poate masca biologia reală și ne permite să includem mult mai multă diversitate genetică într-un singur experiment”, a declarat coautorul principal, Dr. Michael F. Wells, profesor asistent de genetică umană la David Geffen School of Medicine de la UCLA și membru al UCLA Broad Stem Cell Research Center, care a dezvoltat platforma.
Combinarea celulelor generează date complexe, așa că echipa a construit un instrument statistic asociat, Townlet, care oferă cercetătorilor o evaluare fiabilă a fitness-ului fiecărui donator în cadrul grupului.
Culturile de celule în vase separate sunt supuse unor variații minuscule de oxigen, temperatură și manipulare care pot masca diferențe biologice subtile, dar importante.
„Un sat de celule adună toată lumea în același recipient, așa că orice diferențe observăm între celulele persoanei A și ale persoanei B sunt mult mai probabil să fie determinate de genetică sau de un alt factor biologic semnificativ”, a explicat Wells.
Pentru a măsura fitness-ul, echipa a monitorizat ce proporție din satul de celule a revendicat fiecare celulă donată de-a lungul timpului, folosind secvențierea ADN-ului ca un recensământ continuu.
„Ratele de creștere ale donatorilor amestecați într-un sat se potrivesc cu ceea ce vedem când cultivăm aceiași donatori separat”, a afirmat coautorul principal, Tim Derebenskiy, student absolvent în laboratorul lui Wells. „Obținem același rezultat de fiecare dată când construim un sat – este remarcabil de reproducibil și mai precis decât formatul tradițional.”
Urmărirea proporției fiecărui donator din recipient creează o capcană statistică. Deoarece fiecare porțiune este o felie dintr-un întreg fix, câștigul unui donator forțează automat micșorarea celorlalți.
„Rezultatul este un set de date proporționale – practic un grafic de tip tort care se schimbă în timp”, a spus Dr. Harold Pimentel, coautor principal și profesor asistent de medicină computațională, științe computerizate și genetică umană la Geffen School of Medicine. „Când o felie crește, celelalte trebuie să se micșoreze pentru a face loc, deoarece totul trebuie să se însumeze la unu. Însă majoritatea instrumentelor statistice standard presupun că fiecare felie nu știe despre celelalte.”
Asta reprezintă o problemă serioasă deoarece întregul scop al experimentului este de a găsi diferențe biologice reale între donatori – ale căror celule cresc mai repede, ale căror sunt mai vulnerabile la expunerea la plumb. Cele mai multe instrumente statistice ar confunda acea micșorare forțată cu biologia autentică, trimițând cercetătorii după o vulnerabilitate genetică care nu a existat vreodată.
Townlet a fost construit pentru a face distincția între cele două – o feliere care se micșorează din cauza matematicii și una care se micșorează din motive biologice semnificative.
Echipa a aplicat mai întâi platforma pentru a rezolva o enigmă din cercetarea autismului: deleția cromozomului 16p11.2, o modificare genetică care crește riscul de autism și, în unele cazuri, este legată de macrocefalie, sau o dimensiune neobișnuit de mare a capului, care ar putea indica un creier mai mare.
„A existat multă dezbatere despre motivul pentru care un subset de indivizi cu autism se prezintă cu macrocefalie”, a spus Wells. „Pare trivial, dar circumferința capului în primul an de viață este unul dintre cei mai buni predictori timpurii ai unui diagnostic de autism.”
Amestecând celulele progenitoare neuronale din 12 persoane cu deleția și 11 fără, echipa a realizat cel mai mare studiu de acest tip de până acum: celulele purtătoare de deleție s-au împărțit constant mai repede. Aceasta sugerează că supraproducția timpurie a celulelor cerebrale este un factor cheie în creșterea dimensiunii capului observate la unii indivizi cu autism.
Pentru că un cap supradimensionat apare adesea în primul an de viață, cu mult înainte de apariția semnelor comportamentale, legarea acestuia de o cauză celulară specifică oferă cercetătorilor un punct de plecare mecanic pentru a înțelege cum se dezvoltă autismul.
Două gene, două tipuri de fitness
Scanează genomurile a 35 de donatori dintr-un sat mai mare, echipa a urmărit variația naturală în viteza de creștere a celulelor cerebrale până la o porțiune de ADN din apropierea genei ZFHX3, un cunoscut frână a diviziunii celulare în creierul în dezvoltare – apoi a confirmat legătura într-un grup separat, independent de donatori.
Supraviețuirea a spus o poveste diferită. Atunci când echipa a expus un sat de 39 de donatori la plumb, o amenințare bine cunoscută pentru creierul în dezvoltare, daunele au variat enorm de la o persoană la alta.
„Celulele unor donatori au arătat aproximativ o scădere de 20% a viabilității după o săptămână de expunere, iar altele au arătat o scădere de 90%, cu tot ce era între aceste valori”, a spus Wells. „Plumbul poate fi găsit în vopseaua din case mai vechi, în conductele de apă vechi și în solul contaminat, ceea ce este exact motivul pentru care l-am ales ca model de neurotoxină.”
Echipa a urmărit o parte din acea diferență în supraviețuire până la o regiune din apropierea genei ARNT2, o genă care protejează celulele de stres – îndreptându-se către două posibilități viitoare: identificarea persoanelor ale căror gene fac celulele mai vulnerabile la expunerea la plumb și dezvoltarea de terapii care ar putea să le protejeze de daune.
De ce este important și care sunt pașii următori
