Bioinginerii dezvoltă un algoritm pentru a compara celulele între specii – cu rezultate surprinzătoare

Cercetătorii au creat un algoritm pentru a identifica tipuri de celule similare din specii – inclusiv pești, șoareci, viermi plat și bureți – care au divergut de sute de milioane de ani și care ar putea ajuta la reducerea lacunelor în înțelegerea evoluției noastre.

Celulele sunt elementele de bază ale vieții și sunt prezente în fiecare lucru viu. Dar cât de asemănătoare crezi că sunt celulele tale cu un șoarece? Peşte? vierme?

Compararea tipurilor de celule în diferite tipuri din arborele vieții poate ajuta biologii să înțeleagă modul în care au apărut tipurile de celule și modul în care s-au adaptat nevoilor funcționale ale diferitelor forme de viață. Acesta a fost subiectul unui interes crescând față de biologii evoluționisti în ultimii ani, deoarece noua tehnologie permite acum secvențierea și identificarea tuturor celulelor din toate viețuitoarele. „Există în esență un val în comunitatea științifică pentru a clasifica toate tipurile de celule într-o varietate de organisme diferite”, a explicat Bo Wang, profesor asistent de bioinginerie la Universitatea Stanford.

Ca răspuns la această oportunitate, laboratorul lui Wang a dezvoltat un algoritm pentru a conecta tipuri de celule similare pe distanțe evolutive. Metoda lor, detaliată într-o lucrare publicată la 4 mai 2021, la eLife, Este conceput pentru a compara tipurile de celule din diferite tipuri.

În cercetarea lor, echipa a folosit șapte tipuri pentru a compara 21 de perechi diferite și a reușit să identifice tipurile de celule găsite în toate speciile, împreună cu asemănările și diferențele lor.

Comparați tipurile de celule

Potrivit lui Alexander Tarashansky, un student absolvent în bioinginerie care lucrează în laboratorul lui Wang, ideea de a crea algoritmul a venit atunci când Wang a intrat într-o zi în laborator și l-a întrebat dacă ar putea analiza seturi de date de tip celular din două tipuri diferite de viermi pe care au fost efectuate studii de laborator. Acelasi timp.

„Am fost uimit de cât de evidente erau diferențele dintre ele”, a spus Tarashansky, care a fost autorul principal al lucrării și colegiu interdisciplinar la Stanford Bio-X. Am crezut că ar trebui să aibă tipuri de celule similare, dar când încercăm să le analizăm folosind standardul tehnici, metoda nu le recunoaște deoarece sunt la fel. „

El s-a întrebat dacă este o problemă cu tehnologia sau dacă tipurile de celule erau prea diferite pentru a fi asortate între specii. Apoi Tarashansky a început să lucreze la algoritm pentru a se potrivi mai bine tipurilor de celule între specii.

„Să presupunem că vreau să compar un burete cu un om”, a spus Tarashansky. „Nu este foarte clar care dintre genele buretelui corespunde niciunei gene umane, deoarece odată cu evoluția organismelor, genele se înmulțesc și se schimbă și se repetă din nou. Acum aveți o genă în burete care poate fi legată de multe gene la om. „

În loc să încerce să găsească o potrivire genetică unu-la-unu ca metodele anterioare de potrivire a datelor, metoda de cartografiere a cercetătorilor se potrivește cu o singură genă dintr-un burete cu toate posibilele gene umane corespunzătoare. Apoi algoritmul continuă pentru a vedea care este cel corect.

Tarashansky spune că încercarea de a găsi doar perechi de gene individuale a limitat oamenii de știință care au căutat în trecut o hartă a tipurilor de celule. „Cred că inovația principală aici este că luăm în considerare caracteristicile care s-au schimbat de-a lungul a sute de milioane de ani de evoluție pentru comparații de amploare”.

„Cum putem folosi gene în continuă evoluție pentru a recunoaște același tip de celulă care se schimbă în mod constant la diferite specii?” A spus Wang, primul autor al lucrării. „Evoluția a fost înțeleasă folosind gene și trăsături organice, cred că suntem acum într-un moment de cotitură interesant pentru reducerea scalelor, analizând modul în care evoluează celulele.”

Umpleți copacul vieții

Folosind o abordare cartografică, echipa a descoperit o serie de gene conservate și familii de tipuri de celule între specii.

Tarashansky a spus că punctul culminant al cercetării a fost atunci când au comparat celulele stem între doi viermi foarte diferiți.

Faptul ca am gasit o potrivire unu-la-unu in grupurile de celule stem a fost cu adevarat interesant, a spus el. „Cred că practic acest lucru a deschis o mulțime de informații noi și interesante despre modul în care celulele stem apar în interiorul unui vierme plat parazit care infectează sute de milioane de oameni din întreaga lume.”

Rezultatele cartografierii echipei indică, de asemenea, că există o protecție robustă a proprietăților neuronilor și celulelor musculare de la specii de animale foarte simple, cum ar fi bureții, la mamifere mai complexe, cum ar fi șoareci și oameni.

Wang a spus, „Acest lucru indică într-adevăr că aceste tipuri de celule au apărut foarte devreme în evoluția animalelor.”

Acum că echipa a construit instrumentul de comparare a celulelor, cercetătorii pot continua să colecteze date pentru o varietate de specii pentru analiză. Pe măsură ce sunt colectate și comparate mai multe seturi de date din mai multe specii, biologii vor putea urmări calea tipurilor de celule din diferite organisme și se va îmbunătăți capacitatea de a recunoaște noi tipuri de celule.

„Dacă ai avea doar bureți și apoi viermi și ai pierdut totul între ei”, a spus Tarashansky, „este dificil să știi cum au evoluat tipurile de celule spongioase sau cum strămoșii lor s-au diversificat în bureți și viermi.” „Vrem să completăm cât mai multe noduri de-a lungul arborelui vieții, astfel încât să putem facilita acest tip de analiză evolutivă și să transferăm cunoștințe între specii”.

Referință: „Cartografierea atlaselor monocelulare de-a lungul Metazoa dezvăluie evoluția tipului de celulă” Postat de Alexander J. Tarashansky, Jacob M. Moser, Margarita Khariton, Penjiang Lee, Detlev Arendt, Stephen R. Kwake, Bo Wang, 4 mai 2021, eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.66747

Alți coautori de la Stanford includ studenții absolvenți Margarita Khariton, Bingyang Lee și Stephen Kwik, profesor de bioinginerie Lee Otterson și profesor de fizică aplicată și co-președinte al Chan Zuckerberg Biohub. Ceilalți coautori provin de la Laboratorul European de Biologie Moleculară și de la Universitatea din Heidelberg. Wang este, de asemenea, membru al Stanford Bio-X și al Institutului de Neuroștiințe Wu Cai. Kwik este membru al Bio-X, Stanford Cardiovascular Institute, Stanford Cancer Institute și Wu Tsai Institute of Neurosciences.

Această cercetare a fost finanțată de Stanford Bio-X, Premiul Beckman Young Investigator și Institutul Național de Sănătate. Wang și Kwik se vor baza pe această lucrare ca parte a Inițiativei Neuro-Omice finanțată de Institutul de Neuroștiințe Wu Tsai.