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新しい方法は、イメージングとシーケンスを組み合わせて、無傷の組織の遺伝子機能を研究する| MITニュース

映画のプロットを知りたいと思っていますが、ビジュアルまたはサウンドのいずれかにのみアクセスできると想像してください。ビジュアルだけで、すべての対話を見逃すでしょう。音だけで、アクションを逃すでしょう。私たちの生物学を理解することは似ている可能性があります。どの遺伝子が発現しているかなどの1つの種類のデータを測定することは有益ですが、多面的なストーリーの1つのファセットのみをキャプチャします。多くの生物学的プロセスと疾患メカニズムでは、データ型を組み合わせることなく「プロット」全体を完全に理解することはできません。ただし、同じ細胞から遺伝子発現や細胞構造データなどの生物学的データの「視覚と音」の両方をキャプチャするには、研究者が新しいアプローチを開発する必要があります。また、キャプチャするデータが、細胞が互いにどのように相互作用し、環境と相互作用するかなど、生きている生物で何が起こるかを正確に反映していることを確認する必要があります。ホワイトヘッド生物医学研究とハーバード大学の研究者は、これらの課題を引き受け、タートゥル・マルチモダル（Perturb-Multi）を開発しました。で説明されている方法 細胞 6月12日、遺伝子が臓器機能と疾患をどのように制御するかの発見を加速することを目指しています。ホワイトヘッド研究所のメンバーであるジョナサン・ワイスマンと当時の大学院生が率いる研究チームは、ハーバード大学のデビッド・B・アーノルド・科学教授であるXiaowei Zhuang、そして彼女の研究室のポストドックは、アレンがアレンを作成し、同じ携帯電話から数百の異なる遺伝子モディー化をテストできるシステムを作成しました。「私たちの臓器がどのように機能するかを理解するには、細胞生物学のさまざまな側面を一度に見る必要があります」とサンダースは言います。 「Preturb-Multiでは、特定の遺伝子が他の遺伝子が活性化するものだけでなく、細胞内にタンパク質がどのように分布しているか、細胞構造がどのように組織化されているか、組織内の細胞がどこにあるかを変える方法を見ることができます。それはすべて同じ実験に焦点を合わせているようなものです。」「このアプローチは、多くの異なる遺伝子の機能を一度にテストできるようにし、各遺伝子について、多くの異なる機能出力または細胞特性を一度に測定できるようにすることで発見を加速します。遺伝的研究に対するより効率的なアプローチマウスの伝統的な遺伝学的研究は、しばしば1つの遺伝子をオフにしてから、その遺伝子の不在で何が変化するかを観察して、遺伝子が何をするかについて学びます。研究者は、モザイクアプローチとして知られているものを使用して、細胞ごとに1つの遺伝子のみをオフにしながら、単一の肝臓で何百もの異なる遺伝子をオフにするようにアプローチを設計しました。これにより、彼らは1人の個人に一度に数百の個々の遺伝子の役割を研究することができました。その後、研究者は、同じ肝臓の細胞から多様な種類のデータを収集し、遺伝子をオフにした結果の全体像を把握しました。「各細胞は独自の実験として機能します。すべての細胞が同じ動物にあるため、異なるマウスを比較することから生じる変動性を排除します」とサンダースは言います。 「すべての細胞は、同じ生理学的条件、食事、環境を経験し、比較をより正確にします。」「私たちが直面した課題は、組織が機能を実行し、数千の遺伝子に依存し、多くの異なる細胞で表現され、一緒に働くことです。各遺伝子は、細胞の機能の多くの側面を制御できます。アレンは言う。複合測定による新しい生物学を明らかにしますチームは、肝臓の生理学と機能の遺伝的コントロールを研究するために、Perturb-Multiを適用しました。彼らの研究は、肝臓生物学の3つの重要な側面の発見につながりました。肝臓細胞における脂肪蓄積 - 肝臓病の前身。ストレス反応;および肝細胞ゾーン化（肝臓内の位置に基づいて、さまざまな特性と機能を想定して、肝細胞がどのように特化しているか）。1つの顕著な発見は、肝細胞に脂肪蓄積を引き起こす遺伝子を研究することから現れました。イメージングデータは、4つの異なる遺伝子がすべて同様の脂肪液滴の蓄積をもたらしたことを明らかにしましたが、シーケンスデータは、3つの完全に異なるメカニズムを通じてそうしたことを示しました。「イメージングとシーケンスを組み合わせることなく、この複雑さを完全に逃したでしょう」とサンダースは言います。 「イメージングは、どの遺伝子が脂肪の蓄積に影響を与えるかを教えてくれましたが、シーケンスはこれが脂肪産生、細胞ストレス、または他の経路の増加によるものであるかどうかを明らかにしました。この種の機構的洞察は、脂肪肝疾患の標的療法を開発するために重要です。」研究者はまた、肝臓細胞ゾーン化の新しいレギュレーターを発見しました。予想外に、新しく発見された調節因子には、細胞外マトリックスの変更に関与する遺伝子、つまり細胞間の足場が含まれます。 「細胞は、物理的に別のゾーンに移動することなく、特殊な機能を変更できることがわかりました」とサンダースは言います。 「これは、肝細胞の同一性が以前考えられていたよりも柔軟であることを示唆しています。」技術的な革新により、新しい科学が可能になりますPerturb-Multiを開発するには、いくつかの技術的な課題を解決する必要がありました。チームは、組織処理中に細胞（RNAおよびタンパク質）に関心のある含有量を保存するための新しい方法を作成し、多くのタイプのイメージングデータと防腐剤で固定された組織サンプルから単一細胞遺伝子発現データを収集し、同じ細胞から複数の種類のデータを統合しました。「生きている動物の生物学の固有の複雑さを克服するには、この場合はゲノミクス、イメージング、AIを含む複数の分野を埋める新しいツールを開発する必要がありました」とアレンは言います。Perturb-Multiの2つのコンポーネント（イメージングとシーケンスアッセイ）は、同じ組織に適用され、いずれかのアッセイだけで達成できない洞察を提供します。「各コンポーネントは、他のコンポーネントを妨害していない間、完全に機能しなければなりませんでした」と、MITの生物学の教授であり、HHMIの調査員でもあるWeissman氏は言います。 「技術開発にはかなりの努力が必要でしたが、見返りは、以前には見られなかった生物学を明らかにすることができるシステムです。」新しい臓器やその他のコンテキストに拡大します研究者は、脳を含む他の臓器にタートゥール・マルチを拡大し、疾患状態や食事の変化などのさまざまな条件下で遺伝的変化が臓器機能にどのように影響するかを研究することを計画しています。「生成するデータを使用して機械学習モデルを訓練することにも興奮しています」とサンダースは付け加えます。 「遺伝的変化が細胞にどのように影響するかの十分な例を使用して、最終的にそれらを実験的にテストすることなく、突然変異の効果を予測することができました。これは、研究と医薬品開発の両方を加速できる「仮想細胞」です。」「摂動データはそのようなAIモデルのトレーニングに不可欠であり、既存の摂動データの不足は、そのような「仮想セル」の取り組みにおける大きな障害を表しています」とZhuang氏は言います。 「Perturb-Multiが、摂動データのコレクションを加速することにより、このギャップを埋めることを願っています。」このアプローチは、数千の遺伝子を同時にテストするゲノム全体の研究の可能性があるため、スケーラブルになるように設計されています。シーケンスおよびイメージング技術が改善し続けるにつれて、研究者は、Preturb-Multiがより幅広い研究コミュニティにとってさらに強力でアクセスしやすくなると予想しています。「私たちの目標は、スケールアップを続けることです。ゲノム全体の摂動を行い、さまざまな生理学的状態を研究し、さまざまな臓器を調べることを計画しています」とワイスマンは言います。 「現在、非常に多くのセルから非常に多くの種類のデータを収集できるようになったことは、仮想セルのようなAIモデルを構築するために重要になるでしょう。健康と病気についての以前の未解決の質問に答えるのに役立つと思います。」 #新しい方法はイメージングとシーケンスを組み合わせて無傷の組織の遺伝子機能を研究する #MITニュース