Betöltés...

A kutatóGenom

Folyamatosan frissített, korszerű tudományos alapokon nyugvó információk egy tudatosabb életért

Következő bejegyzésig:

Blogbejegyzések

Legfrissebb hírek, érdekességek és aktualitások a genomika területén

×
2018 08 05 Egy-sejt szintű funkcionális genomika

Mit árul el a szervezetünkben az egyes sejtek nukleinsav tartalma? Talán 2018-ban megérkeztünk az orvosbiológiai felfedezések Szent Gráljához. A molekuláris biológia eszköztára egy olyan többrétegű módszertannal bővült, amely egyidőben több ezer sejt DNS szekvenciáját, a kromatin állomány állapotát, a különböző RNS molekulák mennyiségét, illetve a fehérjék expressziójának meghatározását teszi lehetővé. Az előbb említett technikával kapható információhalmaz olyan részletgazdagon jellemzi az egyes sejtek működési állapotát, amely felhasználható lesz a közeljövőben bizonyos kórképek előrejelzéséhez, új gyógyszercélpontok azonosításához, illetve nem utolsó sorban a betegségek kialakulásái folyamatainak eddig elképzelhetetlen részletgazdag leírásához.


Ismeretlen fogalmakkal találkozott a fenti szövegben? Tekintse meg a honlap "Genomikai Tudástár" szekcióját!


Egy-sejt funkcionális genomika

Az egy-sejt genomikai vizsgálatok hozta áttörés által elérhetővé vált egyidejűleg több ezer egyedi sejt genomszintű molekuláris feltérképezése, azaz egy adott egyedi sejt sejtmagjában található DNS molekulájának „elolvasása” (DNS bázissorrend feltérképezése – szekvenálása; DNS molekula metilációs mintázatának meghatározása, illetve a DNS molekulával asszociált hiszton fehérjék módosításainak azonosítása), a DNS molekuláról átíródó RNS molekulák mennyiségi meghatározása (RNS transzkriptom), valamint a minta RNS molekulák segítségével képződő fehérjék elemzése (fehérje proteom). Egy adott sejtből származó építőkövek és a szabályozó elemek részletes megismerése soha nem látott potenciált rejtő kulcselemek felderítésére kínál lehetőséget. Egy átláthatóbb, genetikai logikai szálakat összefűző útvonaltérképezést jelent az egy-sejt szintű funkcionális genomika. Az egészséges szervezet, egy adott szervén belül, illetve a különböző szervekben található sejtek precíz összehasonlítására nyújt lehetőséget. Egyrészt potenciálisan logaritmikus skálán növeli ismereteink az élettani folyamatok részletgazdagságáról, másrészt a különböző kórélettani interakciók molekuláris bölcsőjét fedezhetjük fel. Vizsgálhatjuk az egyedi sejtekben a különböző molekulák egymáshoz kialakított viszonyát, de talán a legérdekfeszítőbb egy sejtsor kontinuum felállítása és a vizsgált sejtek csoportosítása (klaszterezése) a lejátszó folyamatok szuperfelbontású megismeréséhez.
Hogyan is juthatunk egyedi sejtekhez? Mechanikus vagy enzimatikus disszociáció révén szuszpenzióban élő ép sejteket kell nyernünk. Ezt követően „halászni” kell az egyedi sejteket. Három megközelítés ismert az egyedi sejtek izolálására: 1. robotikai mikromanipuláció, 2. fluoreszcencia-alapú sejt válogatás, vagy 3. mikrofluidikai platformok alkalmazása. Ezen első lépés lényege a nukleinsavak (DNS, RNS) és fehérjék minél nagyobb mértékű megőrzése, az azt követő precíz vizsgálatok sikerességéhez. A második lépés egy adott sejtből a különböző molekula típusok elkülönítését jelenti. Egy fizikai szeparálással a DNS és RNS izolálása történik meg. Például mágneses gyöngyök felhasználásával megkötjük és elválasztjuk a poliadenilált (az mRNS molekulák 3’ végén található sok adenin) mRNS molekulákat a DNS-től. A sejteket buborékokba helyezve, sejtre vonatkozó egyedi azonosítót is társítunk, amely szelektíven megjelöli az általunk kívánt molekula csoportokat (DNS, RNS, fehérje). Az egyik legkézenfekvőbb példája az immunrendszer vizsgálatához köthető. A környezeti hatásokra az immunsejtek az elsődleges válaszadók. Válaszuk során komplex, sejten belüli (intracelluláris) egymásra ható útvonalakat, és sejtek közötti (intercelluláris) interakciós hálózatokat módosítanak. Ezen tranziens válaszok az intra- és intercelluláris kommunikáció révén sejt-státusz megváltozásban nyilvánulnak meg, lehetőséget kínálva a rugalmas adaptációhoz. A csecsemőmirigy (tímusz) egy olyan elsődleges immunszerv, amely kritikus a saját sejtek iránti tolerancia és a funkcionális szerzett immunrendszer kialakításában. A sejtek közötti közeli kölcsönhatások a tímuszban található hámsejtek, vérsejtek és a fejlődő timociták között igen fontosnak bizonyul. Még az embrionális fejlődés során olyan gének fejeződnek ki ezen sejtekben, amelyeket felnőttkori autoimmunfolyamatokkal hoztak összefüggésbe. Egy-sejt transzkriptomikai kísérlet világított rá először, hogy az autoimmun folyamatok első lépései még a magzati állapotban debütálnak. A szabályozó funkcióval ellátott regulatorikus T-sejtek döntő többsége a tímuszból ered. Ezek a sejtek domináns-negatív módon szabályozzák az immunrendszer számos pillérét, erősítve a perifériás toleranciát a saját sejtekkel, a szimbiotikus kommenzális baktériumokkal és a magzati antigénekkel szemben. Továbbá szabályozzák a szöveti homeosztázist és a steril gyulladás mértékét. Az egy-sejt transzkriptomikai adatok segítségével bizonyították a regulatorikus T-sejtek kontinuum állapotát. Ezen kontinuum három gravitációs állapot körül mozog: 1 nyugvó, 1 naív és memória, és 1 aktivált pólus körül. Meglepően magas konzerváltságra mutat a 3 gravitációs állapot az egér és humán sejtek között. Ezen állapotok felderítése új gyógyterápiás mechanizmusok és célpontokra világíthat az autoimmun betegségek kapcsán.


Hogy miért is aktuális az egy-sejt funkcionális genomika? Tekintsük át a történelmi idővonalát, és önmagunk válaszolunk a kérdésre. Az első egy-sejt transzkriptomikai vizsgálatot (RNS molekulák mennyiségi meghatározása) Tang és mtsai 2009 végezték egér sejteken. Elméletileg egy adott sejtben egy adott RNS molekula 1-100,000 példányban (kópiában) található, de átlagosan kevesebb mint 100 kópiában van jelen egy adott transzkriptum. Négy év múlva, azaz 2013-ban Han és mtsai először írtak le olyan módszert, amely során egy sejtből DNS-t és RNS-t egyaránt vizsgáltak. További három évet kellet várni arra míg integráltan és egyidejűleg transzkriptomikai és epigenomikai (DNS metilációs) vizsgálatot egy-sejtből végezhettek a kutatók. Ennek fényében 2016-ban Hou és mtsai ún. scTrio-seq technikát dolgozott ki, az egy-sejt genomikai DNS, epigenom és transzkriptomikai elemzésre. Az epigenomikai aspektusok (citozin metiláció 5mC, hidroximetiláció 5hmC, illetve formilcitozin 5fC) rövid és hosszútávon szabályozhatják a gének kifejeződését (expreszióját). Az 5mC transzkripciós gátlással (represszióval), míg az 5hmC és 5fC transzkripciós aktivációval asszociálhatók. Egy évvel később, 2017-ben, oligonukleotid-jelölt antitesteket felhasználva sikerült integrálni a sejtfehérjék és transzkriptomikai expressziós méréseket, egy hatékony egy-sejt kiolvasásban. Egy sejt funkcionális identitását leginkább a sejtben található fehérjék határozzák meg. Gyakorlatilag a fehérjék és a fehérjék poszttranszlációs módosítása révén a sejtek képesek érzékelni és válaszolni virtuálisan minden külső (extrinszikus) és belső (intrinszikus) stimulusra. Továbbá, egy-sejt tömegspektrometriai módszerről is beszámoltak 2017-ben, amely bővíti az egy-sejt módszertani repertoárt a sejt proteom felmérésével. Végül, az egy-sejt metabolom taglalása maradt hátra. A metabolom a teljes molekuláris palettára kiterjedő fogalom, magába foglalja mindazon alacsony molekulasúlyú metabolitokat, amelyeket egy adott sejt termel. A fentiek taglalásából egyértelműen következtethető, hogy az igen nagy generált adatmennyiség értékeléséhez egy nemzetközi platformra van szükség. Ennek megfelelően még 2016-ban létrehozták a Humán Sejt Atlasz (The Human Cell Atlas) platformot, melynek célja részletesen jellemezni minden sejttípust és sejtállapotot a humán szervezetben. A különböző egy-sejt térképező technikák alkalmazásával ún. multi-omikai profilokat állíthatunk fel minden egyes vizsgált sejtről és teljesíthetővé válik a Humán Sejt Atlasz célkitűzése. A jelenleg elérhető, 2018 első felében létrehozott Sejt Atlasz Kereső (Cell Atlas Search) online felület kiegészíti a kapott adatok feldolgozását. Referencia expressziós profilokat tartalmaz, illetve az új, eddig még ismeretlen humán sejttípusok azonosítását elősegítő felületként is működik. Mindezen adatok tükrében egy nagyon pozitív irány felé mutató, zendülő lendülettel haladó genomikának vagyunk tanúi. Az egy-sejt funkcionális genomikai módszertan iránytűként mutat utat az orvosbiológiai kutatásokban és inspirálja az új generációs terápiás eljárások fejlesztését a gyulladás, autoimmunitás és rákos megbetegedések területén.

1 Gene expression distribution deconvolution in single-cell RNA sequencing. Wang J, Huang M, Torre E, Dueck H, Shaffer S, Murray J, Raj A, Li M, Zhang NR. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Jul 10;115(28):E6437-E6446. doi: 10.1073/pnas.1721085115. Epub 2018 Jun 26.

2 CellAtlasSearch: a scalable search engine for single cells. Srivastava D, Iyer A, Kumar V, Sengupta D. Nucleic Acids Res. 2018 Jul 2;46(W1):W141-W147. doi: 10.1093/nar/gky421.

3 A Single-Cell Transcriptomic Atlas of Thymus Organogenesis Resolves Cell Types and Developmental Maturation. Kernfeld EM, Genga RMJ, Neherin K, Magaletta ME, Xu P, Maehr R. Immunity. 2018 Jun 19;48(6):1258-1270.e6. doi: 10.1016/j.immuni.2018.04.015. Epub 2018 Jun 5.

4 Single-cell transcriptomics to explore the immune system in health and disease. Stubbington MJT, Rozenblatt-Rosen O, Regev A, Teichmann SA. Science. 2017 Oct 6;358(6359):58-63. doi: 10.1126/science.aan6828. Review.

5 Single Cell Multi-Omics Technology: Methodology and Application. Hu Y, An Q, Sheu K, Trejo B, Fan S, Guo Y. Front Cell Dev Biol. 2018 Apr 20;6:28. doi: 10.3389/fcell.2018.00028. eCollection 2018. Review

6 Defining Cell Identity with Single-Cell Omics. Mincarelli L, Lister A, Lipscombe J, Macaulay IC. Proteomics. 2018 Apr 12:e1700312. doi: 10.1002/pmic.201700312. [Epub ahead of print] Review.

7 Single-cell gene expression reveals a landscape of regulatory T cell phenotypes shaped by the TCR. Zemmour D, Zilionis R, Kiner E, Klein AM, Mathis D, Benoist C. Nat Immunol. 2018 Mar;19(3):291-301. doi: 10.1038/s41590-018-0051-0. Epub 2018 Feb 12. Erratum in: Nat Immunol. 2018 May 3;:.

Előadások

Tudományos publikációk

Bemutatkozás - Életpályám

gÉNEK HÁLÓZATA

"Az emberiség végül is olyan genetikusan meghatározott járművön ül, mely nem térhet ki a kerékvágásból. Ezeken a szekereken visznek bennünket lóhalálában egyik nemzedékből a másikba. A genetikus anyag nem ismeri, hogy mi a jó és mi a rossz. Azt sem tudhatja, hogy szerencsések vagy szerencsétlenek leszünk-e. Egyszerűen eszközök vagyunk, semmi több. Az örökletes anyag csak arra figyel, hogy számára hasznosak vagyunk-e? - Mindazonáltal nem lehet nem gondolnunk arra, hogy mi jó és mi rossz, ugye erről van szó?- Úgy van. Az embernek ezt nem lehet figyelmen kívül hagynia, de az életünkön döntően az örökletesség uralkodik. Nyilván ebből származnak az ellentmondások." Murakami Haruki, 1Q84

Letölthető előadások

90
+

Tudományos előadás

Számtalan bejegyzés

1
+

Blogbejegyzés

700
+

Megtartott előadás

Humán genomikai tudástár:
érthető és szemléletes betekintés a genomika világába

Olvassa, értelmezze és használja fel az itt szerzett tudást!