Транскриптомика отдельных клеток (англ. single-cell transcriptomics) — область биологических исследований, в которой основным инструментом служат методы количественного анализа экспрессии генов в индивидуальных клетках. Эти методы сочетают в себе современные технологии секвенирования РНК отдельных клеток (scRNA-Seq от англ. single-cell RNA sequencing) и последние достижения микрогидродинамики. Они позволяют решить проблему «усреднённых» данных, получаемых при традиционном секвенировании массовых популяций клеток.
Развитие технологий секвенирования РНК отдельных клеток | |
---|---|
2009 | Впервые проведено секвенирование РНК отдельных клеток |
2011 | Технология STRT-Seq: улучшенное покрытие 5' конца |
Технология SMART-Seq: амплификация с полным покрытием | |
2012 | Избавление от систематических ошибок при ПЦР с помощью in vitro транскрипции |
2013 | Технологии Quartz-Seq, DP-Seq, SMART-Seq2: удешевление процесса, улучшенная чувствительность |
2014 | Появление технологий с использованием уникальных молекулярных идентификаторов («штрихкодов»): STRT-Seq UMI, MARS-Seq, CEL-Seq UMI |
2015 | Технологии CytoSeq, SC3-seq: увеличение производительности |
Одноклеточное секвенирование РНК сделало возможными анализ клеточного многообразия в популяциях клеток, считавшихся ранее однородными; анализ траекторий развития клеток и моделирование динамики транскрипционных процессов — и всё это в очень высоком биологическом «разрешении», недостижимом при секвенировании ансамблей клеток. Из-за этого сильно возрастает размерность данных и, как следствие, вычислительная сложность анализа. Кроме того, несмотря на стремительное развитие, методы одноклеточного секвенирования всё ещё имеют определённые технические недостатки. В последние годы продолжают разрабатываться всё новые и новые биоинформатические методы для преодоления указанных проблем и получения более точных результатов экспериментов с отдельными клетками.
С помощью технологий одноклеточное секвенирования РНК и методов транскриптомики уже получены важные результаты в иммунологических, эмбриологических и онкологических исследованиях.
Несмотря на существенный прогресс в технологиях секвенирования, происходящий в последнее время, всё ещё невозможно секвенировать РНК отдельной клетки напрямую: сначала необходимо получить из неё комплементарную ДНК (кДНК). Кроме того, при одноклеточном секвенировании РНК исследователь должен решить две задачи, не возникающие при секвенировании ансамблей клеток: выделение отдельной клетки и амплификация очень небольшого количества РНК, содержащегося в ней. Вследствие этого, все технологии одноклеточного секвенирования имеют схожие этапы:
Этот метод комбинирует многопараметрическую проточную цитометрию и сортировку при помощи заранее заданной стратегии флуоресцентного стробирования. Флуоресцентно меченные антитела используются для отделения интересующих нас клеток в соответствии с целевыми поверхностными маркерами. На данный момент одновременно можно использовать до 17 антител[1][2], что даёт возможность проводить продвинутое иммунофенотипирование, позволяющее определить интересные подмножества клеток даже в ранее изученных популяциях.
Другой вариант проточной цитометрии использует антитела к различным внутриклеточным белкам и отбирает клетки в зависимости от сигнала[3][4]. Этот метод требует фиксации и пермеабилизации клеток[3][4], что может усложнить последующий транскриптомный анализ.
Ограничения метода:
Стеклянная микропипетка используется для отделения одной клетки из популяции под микроскопом. Микроманипуляция была успешно применена для выборки отдельных нейронов из первичной культуры[7], отдельных клеток из эмбрионов различных стадий развития[8] и бактерий[9].
Ограничения метода:
Оптический пинцет использует сильно сфокусированный лазер для удержания и перемещения микроскопических диэлектрических объектов. В сочетании с отбором, основанным на фотографии, оптический пинцет может захватывать и манипулировать отдельными клетками в суспензии[7] или в массиве внутри микрожидкостного устройства[10][11][12].
Ограничения метода:
Эукариотические клетки обычно лизируются в гипотоническом растворе (буфере), содержащим растворитель. В клетке содержится много разных молекул РНК, и в результате хотелось бы определить их все, за исключением тРНК и рРНК, на которые придётся более 90 % всех ридов, если их не убрать. Поэтому большинство методов выборочно обратно транскрибируют только полиаденилированные молекулы РНК , используя поли(дТ) праймер, что позволяет работать с наиболее интересными транскриптами, такими как мРНК и большинством длинных некодирующих РНК, длнкРНК. Тем не менее, эта стратегия не позволяет секвенировать неполиаденилированные длнкРНК и ограничена эукариотическими клетками.
Первая цепь кДНК синтезируется при помощи специально спроектированной версии обратной транскриптазы вируса лейкемии мышей M-MuLV . Для получения второй цепи существует множество протоколов, основанных на трёх основных методах: ПЦР амплификация, транскрипция in vitro и амплификация по типу катящегося кольца.
Метод заключается в добавлении универсального праймера к 5’ концу после гомополимерного хвоста или области переключения матрицы . Для добавления гомополимерного хвоста длиной примерно в 30 нуклеотидов поли(А) к 3’ концу первой цепи кДНК используется концевая дезоксинуклеотидил-трансфераза. У этого подхода есть два основных недостатка. Из-за склонности ревертазы к раннему прерыванию 5’ конец имеет значительно меньшее покрытие. Кроме того, после добавления поли(А) хвоста к 3’ концу кДНК вдобавок к обычному поли(А) хвосту на 3’ конце РНК (то есть на 5' конце соответствующей кДНК) становится невозможно понять, с какой цепи ДНК эта РНК была изначально транскрибирована.
Чтобы получить однородное покрытие транскриптов был придуман механизм смены матрицы SMART-seq. Этот метод использует свойство ревертазы M-MuLV добавлять 3-4 цитозина на 3’ конце кДНК, и эта последовательность используется в качестве якоря для универсального праймера ПЦР. В результате амплифицируются только целые транскрипты, и информация об исходной цепи не теряется за счёт добавленных цитозинов. Однако этот метод обладает меньшей чувствительностью, чем добавление гомополимерного хвоста[13].
Транскрипция in vitro амплифицирует РНК линейно при помощи РНК-полимеразы T7 . Этот метод лучше работает с 3’ концом исходного транскрипта[14], и каждый раунд амплификации приводит к укорачиванию транскрипта во время синтеза второй цепи[14].
Эта стратегия позволяет создавать кДНК библиотеки одиночных клеток прокариот[15] и эукариот[16]. Для этого РНК обратно транскрибируется, замыкается в кольцо и амплифицируется при помощи ДНК-полимеразы Φ29 , что позволяет сохранить полное покрытие транскриптов.
Полноценное транскриптомное исследование, к примеру, целой ткани с помощью методов scRNA-Seq требует анализа профилей нескольких тысяч, а иногда и миллионов отдельных клеток-представителей ткани. При таких объёмах секвенирование каждой отдельной клетки приводит к большим затратам времени и средств. Для повышения производительности и удешевления исследований к методам scRNA-Seq была адаптирована технология уникальных молекулярных идентификаторов или «молекулярных штрихкодов» — коротких случайных последовательностей, встраиваемых в олиго(дТ) праймер механизма смены матрицы. Это позволяет секвенировать единовременно РНК-материал сотен клеток, при благодаря штрихкодам сохраняется информация о том, из какой конкретно клетки получена данная молекула РНК[17]. Также молекулярные штрихкоды могут использоваться для подсчёта количества каждого транскрипта в отдельной клетке, это даёт более точные результаты, чем традиционный подсчёт ридов при ПЦР в реальном времени[18][19][20].
Отличия между отдельными клетками — фундаментальная характеристика популяций стволовых клеток, но эти отличия размываются при традиционном анализе ансамблей клеток. Одноклеточное секвенирование позволяет выявлять эти отличия и обнаруживать различные фенотипы стволовых клеток даже в пределах «однородной» популяции.
Так, исследователи выявили значительные различия между долгоживущими и короткоживущими гематопоэтическими стволовыми клетками мыши и определили, что основной вклад в эти различия вносят гены, отвечающие за клеточный цикл[21][22]. Одноклеточное секвенирование РНК было применено для изучения лёгких мыши[23] и позволило найти ранее неизвестные маркеры, специфичные для различных подтипов клеток. Были также исследованы нейронные стволовые клетки различных видов и их траектории развития[24]. В другом исследовании было проведено сравнение смен стадий нейронных стволовых клеток у здоровых мышей и мышей, перенёсших ишемию головного мозга[25].
Процесс эмбрионального развития можно рассматривать как переход от уровня отдельных клеток к уровню организма. Для изучения ранних стадий эмбрионального развития необходимы методы, способные работать с небольшим количеством доступных клеток. С помощью одноклеточного секвенирования РНК удалось провести общий анализ раннего развития млекопитающих[26][27][28]. Были получены профили экспрессии генов для клеток человека и мыши периода предимплантационного развития[29][30], а также для первичных половых клеток человека в период перехода от стадии миграции к стадии гонад[31]. На клетках мышиных эмбрионов были изучены изменения экспрессии генов в период материнско-зиготического перехода[32][33] (процесс замены зародышем материнских мРНК на свои собственные). Было показано, что в эмбрионе мыши активация зиготического генома происходит на стадии 4 клеток, у человека — между четырёх- и восьмиклеточной стадиями[30].
Изучение транскриптома всех клеток ткани даёт возможность узнать больше о иерархии клеточных линий с непревзойдённой точностью. Параллельные исследования транскриптомики отдельных клеток селезёнки без предварительного отбора клеток, основанного на заранее выбранных клеточных маркерах, в сочетании с иерархической кластеризацией позволило воссоздать общую структуру взаимоотношений клеточных линий селезёнки[17].
Ткань раковой опухоли обычно состоит из нескольких популяций клеток, отличающихся друг от друга функционально и фенотипически. Согласно современным представлениям, процесс развития опухоли может иметь в своей основе не только клональную эволюцию мутировавших клеток исходной ткани, но и иерархическую дифференцировку так называемых раковых стволовых клеток (РСК). Согласно концепции РСК, любое злокачественное новообразование развивается из одной клетки-предшественника популяции РСК, а опухоль устроена иерархически, то есть разные типы раковых клеток обладают разной способностью к делению[34]. Одноклеточное секвенирование позволяет выявлять отдельные РСК, а также анализировать различные популяции клеток, находящиеся в одной опухоли.
Так, недавно были проанализированы транскриптомные профили сотен отдельных опухолевых клеток пяти пациентов с глиобластомой, что позволило выявить дифференциальную экспрессию генов, связанных с онкогенным сигнализированием, пролиферацией, комплементным и иммунным ответом и гипоксией. Также были обнаружены клетки с фенотипами, промежуточными между мезенхимальным и эпителиальным, что не соответствует классической модели эпителиально-мезенхимального перехода с двумя дискретными состояниями клеток. Кроме того, был получен набор генов «стволовости», и клетки также распределялись по непрерывной, а не дискретной шкале уровней экспрессии этих генов, что отражает сложный характер системы стволовых клеток в опухоли[35].
На данный момент существует несколько моделей метастазирования, таких как позднее распространение, ранний сев и самосев, однако до сих пор сложно объяснить ими метастазирование в большинстве видов рака у человека. Трудности заключаются как в упомянутой выше гетерогенности клеток в пределах самой опухоли, так и в сложности анализа ключевых агентов метастазирования — циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК): эти клетки исключительно редко встречаются в крови (одна на миллион).
Тем не менее, в недавнем исследовании с помощью одноклеточного секвенирования РНК удалось выявить три различные генетические подписи в ЦОК, ассоциированные с метастазированием, у пациентов с меланомой[36] . В другом исследовании изучалось распространение отдельных циркулирующих опухолевых клеток и их кластеров в метастатическом раке молочной железы человека, в том числе с использованием мышиных моделей. Было показано, что кластеры имеют повышенный метастатический потенциал по сравнению с отдельными ЦОК, а также что плакоглобин регулирует образование таких кластеров[37]. Исследование отдельных ЦОК метастатического рака поджелудочной железы показало, что эти клетки экспрессируют особые собственные белки внеклеточного матрикса[38]. Подобные результаты позволяют лучше понять функционирование РСК и генетические взаимосвязи между клетками исходной опухоли и метастазов.
Отдельная тема онкологических исследований — приобретение клетками опухоли устойчивости к химиотерапии. Этот процесс также до сих пор плохо изучен для большинства видов рака у человека. В одном из последних исследований были проанализированы транскриптомные профили нескольких сотен отдельных клеток клеточной линии аденокарциномы лёгкого и выявлены новые сигнальные пути, ассоциированные с устойчивостью к определённым компонентам химиотерапии[39]. Исследование ЦОК рака предстательной железы выявило активацию неканонического сигнального пути Wnt, способствующую устойчивости к лекарствам на основе антиандрогена[40].
Большинство генов эукариот подвержены альтернативному сплайсингу — явлению, позволяющему комбинировать экзоны гена в разных комбинациях, вследствие чего с одного гена появляется возможность производить различные транскрипты и, следовательно, различные белки с потенциально разными функциями. Несмотря на то, что некоторые методы одноклеточного секвенирования (например, SMART-Seq) имеют близкое к полному покрытие транскриптома, анализ альтернативных изоформ затруднён из-за перечисленных ранее ограничений методов. Например, транскрипты, присутствующие в малом количестве, могут быть не обнаружены из-за неотличимости от биологического шума. Однако, уже разрабатываются модели, учитывающие распределения транскриптов в объединённом множестве отдельно секвенированных клеток[41][42]. Они позволят точнее предсказывать число различных изоформ в отдельных клетках.
Одноклеточное секвенирование может использоваться для эффективного анализа иммунного ответа клеток одной популяции, находящихся в разных условиях. Так, в недавнем исследовании изучалась динамика взаимодействия макрофагов сальмонеллы с клетками-хозяевами c различными модификациями липополисахаридов (основного компонента клеточной стенки)[43]. В другом исследовании изучалась реакция на липополисахариды дендритных клеток костного мозга мышей[44].
Эта статья выставлена на рецензию. Пожалуйста, выскажите своё мнение о ней на подстранице рецензии. |
Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .