Ученые составили карту всего кишечника человека с точностью разрешения до одной клетки
Ученые из Университета здравоохранения Северной Каролины секвенировали гены в разных клетках кишечника человека. Впервые лаборатория использовала целые человеческие желудочно-кишечные тракты от трех доноров, чтобы показать, как различаются типы клеток в разных областях кишечника, пролить свет на клеточные функции и показать различия в экспрессии генов.
Эта работа опубликована в журнале Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology, кратко о ней пишет EurekAlert!.
«Наша лаборатория показала, что можно уточнить функцию каждого типа клеток в важных процессах, таких как поглощение питательных веществ, защита от паразитов, выработка слизи и гормонов, которые регулируют пищевое поведение и перистальтику кишечника. Мы также узнали, как слизистая оболочка кишечника может взаимодействовать с окружающей средой через рецепторы и как лекарства могут взаимодействовать с различными типами клеток», — сказал Скотт Магнесс, старший автор статьи.
Лаборатория Магнесса изучала эпителий — одноклеточный слой, выстилающий внутреннюю часть кишечника. До сих пор исследователи могли брать только небольшие образцы с помощью биопсии.
«Такое исследование было похоже на взгляд на Соединенные Штаты из космоса. Чтобы действительно узнать о стране, мы хотели бы увидеть все поближе», — говорит Магнесс.
«Мы не только хотим определить, где расположены клетки, но и точно знать, какие типы клеток что делают и почему. Итак, продолжая аналогию с картой, мы не просто хотим сказать: "О, это Северная Каролина". Мы хотим знать, где там взять лучший шашлык. Мы хотим получить как можно более подробный вид с уровня Земли», — сказал один из соавторов исследования Джозеф Берклафф.
Ученые взяли тысячи отдельных клеток из нижнего отдела пищеварительного тракта (тонкая кишка и толстая кишка) для создания атласа, а затем изучили потенциальную роль этих клеток через гены, которые экспрессирует каждая клетка. Использовались органы, предназначенные для трансплантации, если на них не претендовали пациенты. Лаборатория получала неповрежденные кишечные тракты длиной от 4,5 до 9 м через шесть-восемь часов после извлечения. Ученые удаляли эпителиальный слой, который представляет собой один длинный кусок ткани толщиной всего в одну клетку. Затем использовали ферменты для расщепления эпителия на отдельные клетки. А после в каждой клетке секвенировали геномы.
«Картина представляет собой мозаику различных типов генов, которые существуют в клетках, и этот набор генов говорит нам, что это за клетка и, возможно, что она делает. Это стволовая клетка, или слизистая клетка, или гормон-продуцирующая клетка, или иммунная сигнальная клетка?» — сказал Магнесс.
Барклафф добавил: «Мы смогли увидеть различия в типах клеток во всем пищеварительном тракте и разную экспрессию генов в клетках одного и того же типа у трех разных людей. Так, например, мы можем понять, почему у одних людей возникает непереносимость определенных продуктов или лекарств, а у других нет».
Основная проблема такого рода исследований — огромное количество получаемых данных. Каждая клетка несет различные комбинации из более чем 20 000 генов человека, которые включаются или выключаются. Это создает почти 140 млн точек данных для всех 12 590 клеток, которые изучались в этом исследовании.
Обуздание огромного объема данных позволило ученым многое узнать о каждом типе клеток. Например, пучковая клетка, открытая 40 лет назад и названная так потому, что она выглядит, будто на ее поверхности есть пучки волос. Оказывается, эти пучковые клетки экспрессируют те же гены, что и вкусовые сосочки на языке. Другие исследователи обнаруживали, что эти пучковые клетки ощущали заражение червями и посылали сигналы иммунной системе, чтобы начать войну. Лаборатория Магнесса показала, что пучковые клетки обладают набором генов, которые, как считается, важны для восприятия и «вкуса» разного содержимого кишечника. Так что при необходимости они могут сигнализировать иммунной системе о разных проблемах, а не только о паразитах.
«Мы не только описали каждый отдельный тип клеток и каждый отдельный ген, который они экспрессируют, но также рассмотрели их потенциальные функции. Если вы посмотрите на кишечную слизь, которая представляет собой сложную смесь, защищающую клетки, мы покажем, какие клетки экспрессируют различные белки муцина, сколько и в каких областях пищеварительного тракта. Расскажем, где экспрессируются специфические ферменты, которые переваривают пищу. Покажем клетки с экспрессией противовоспалительных генов и гены синапсов, где кишечник, вероятно, связан с нервами, чтобы он мог общаться с остальным телом. Мы подробно рассмотрели, например, аквапорины — белки, участвующие в переносе воды через кишечную мембрану. Мы можем предсказать, какие фармацевтические препараты могут повлиять на какой тип клеток в отдельности», — сказал Бурклафф.
Например, есть класс лекарств для лечения воспалительных заболеваний кишечника. Они предназначены для поражения конкретных целей — определенных иммунных клеток, которые вызывают воспаление. Но лаборатория Магнесса выяснила, что некоторые эпителиальные клетки экспрессируют те же гены, что и иммунные клетки, которые должны быть мишенью. Это открытие показывает, как могут образоваться побочные эффекты.
