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.
Blogom
2023 07 20
Gyermekkorban orvosi beavatkozást igénylő, molekuláris vizsgálat során azonosított genetikai variánsok
A különböző örökletes kardiomyopáthiák, tumorprediszpoziciós hajlam, pszichomotoros fejlődési mérföldövek késése, fejlődési rendellenesség vagy családban felmerült öröklődő megbetegedés gyanúja által orvosszakmailag indokolt molekuláris genetikai vizsgálatok során, az egyre inkább elterjedő magas áteresztőképességű vizsgálatok olyan génvariánsokat is felfedhetnek, amelyek a vizsgálat indokával nem állnak összefüggésben, de orvosi beavatkozást igényelhetnek.
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.