Ученые разработали новый способ изучения клеточной коммуникации, записывая взаимодействия между клетками в процессе их работы в живом организме и открывая новые способы понять, как функционирует наш организм.
Клеточные взаимодействия необходимы для борьбы с заболеваниями и формирования тканей, объясняет Юрий Притыкин, один из двух ведущих авторов статьи, опубликованной в научном журнале Nature.
«Тем не менее, большая часть усилий в молекулярной биологии была направлена на изучение того, что происходит внутри клетки, а не во взаимодействии между клетками», — комментирует Притыкин.
Отчасти это связано с тем, что очень сложно точно узнать, какие клетки взаимодействуют. Хотя мощные микроскопы могут показать положение клеток в срезе ткани, эти изображения представляют собой замороженный момент клеточного времени. По словам Притыкина, можно сделать вывод, какие клетки могут взаимодействовать, глядя на микроскопическое изображение, но для этого нужно сделать множество предположений.
«Глядя на срез ткани, вы поймете, какие клетки находятся рядом друг с другом, но то, что клетки находятся рядом друг с другом, не означает, что они взаимодействуют», — объясняет Притыкин. «Наконец, теперь у нас есть точный способ измерения клеточных взаимодействий в живом организме».
Работа представляет собой сотрудничество молекулярных биологов под руководством Габриэля Викторы (Gabriel Victora) из Рокфеллеровского университета (Rockefeller University) и биологов под руководством Притыкина. Биологи разработали экспериментальную работу, а ученые-компьютерщики создали алгоритм для анализа сложного набора данных, полученных в результате экспериментов.
Ключевое открытие было проведено в лаборатории Викторы, которая нашла способ генетически сконструировать сложный организм — в данном случае мышь — так, чтобы некоторые из его клеток производили пептид, который оставался на любой клетке, с которой он взаимодействует. Генная инженерия также позволяет исследователям измерять уровни этого пептида, что позволяет им точно понять, какие клетки взаимодействуют. Важно отметить, что ученые смогли зафиксировать взаимодействие между различными типами иммунных клеток, а также взаимодействие между иммунными клетками и эпителиальными клетками в кишечнике.
Предыдущая версия этой технологии, разработанная лабораторией Викторы в 2018 году, использовала аналогичный метод клеточной инженерии, но она регистрировала только взаимодействия между двумя молекулами, которые происходят на поверхности определенных типов иммунных клеток. Хотя обновленный метод и не является совершенно новым, тем не менее он является прорывом: исследователи впервые продемонстрировали, что его можно использовать для отслеживания взаимодействий между любыми типами клеток, а не только между конкретными иммунными клетками, использованными в первой версии технологии.
Однако ученые решили сосредоточить свое внимание на иммунных клетках, поскольку они являются отличными клеточными коммуникаторами: одна из их основных функций — перемещаться по организму и реагировать на различные виды раздражителей. В своих экспериментах исследователи смогли зафиксировать взаимодействие иммунных клеток, выполняющих свои обязанности в ходе инфекции.
Есть еще одна причина, по которой этот обновленный метод является прорывом: он объединяет данные о межклеточном взаимодействии с секвенированием отдельных клеток. Исследователи впервые могут понять, что происходит одновременно между клетками и внутри клеток. Этот метод выявляет не только клеточные взаимодействия в ходе инфекции, но и то, что именно делает конкретная клетка в ходе этого процесса.
«Эта комбинация очень мощная», — комментирует Притыкин.
Эта комбинация также дает невероятно подробный и сложный набор данных. Секвенирование отдельных клеток собирает данные о каждом гене в конкретной клетке, при этом одновременно измеряются тысячи генов в клетке и десятки тысяч клеток. Добавьте к этому данные о клеточных взаимодействиях.
Чтобы решить эту проблему, Притыкин и Сара Уокер (Sarah Walker), специалист в области количественной и вычислительной биологии, создали серию вычислительных алгоритмов специально для интерпретации данных такого типа. Их анализ позволил молекулярным биологам реализовать весь потенциал экспериментального метода.
Теперь, когда исследователи могут отслеживать, какие клетки взаимодействуют, а также то, что происходит внутри этих клеток, одним из следующих шагов является определение причин.
«Мы не знаем, почему они общаются», — заключает Притыкин, — «или какие гены отвечают за эти физические взаимодействия». Этот новый метод, «открывает нам путь к тому, чтобы начать задавать эти вопросы так, как никто раньше не мог их задать».
Литература:
Sandra Nakandakari-Higa et al, Universal recording of immune cell interactions in vivo, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07134-4