Работая с сотнями тысяч изображений высокого разрешения, команда Института клеточной науки Аллена, подразделения Института Аллена, привела цифры внутренней организации человеческих клеток - биологической концепции, которую до сих пор было чрезвычайно трудно оценить количественно.

В ходе этой работы ученые также зафиксировали детали богатой вариации формы клеток даже среди генетически идентичных клеток, выращенных в одинаковых условиях. Команда описала свою работу в статье, опубликованной сегодня (4 января) в журнале Nature.

"То, как организованы клетки, говорит нам кое-что об их поведении и идентичности", - сказала Сюзанна Рафельски, доктор философии, заместитель директора Института клеточных наук Аллена, возглавлявшая исследование вместе со старшим научным сотрудником Матеусом Виана, доктором философии, - "Чего не хватает в этой области, поскольку мы все пытаемся понять, как клетки изменяются в процессе здоровья и болезни, так это строгого способа работы с такого рода организацией. Мы еще не получили эту информацию".

По словам Рафельски, это исследование дает биологам "дорожную карту" для понимания организации различных видов клеток измеримым, количественным способом. Оно также раскрывает некоторые ключевые принципы организации клеток, которые изучает команда Института Аллена и которые известны как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека.

Понимание того, как клетки организуют себя в здоровых условиях, и всего диапазона изменчивости, содержащегося в "норме", может помочь ученым лучше понять, что идет не так при болезни. Набор данных изображений, генетически модифицированные стволовые клетки и код, использованные в данном исследовании, находятся в открытом доступе и могут быть использованы другими учеными.

"Отчасти клеточная биология кажется трудноразрешимой из-за того, что каждая клетка выглядит по-разному, даже если это один и тот же тип клеток. Это исследование Института Аллена показывает, что та самая изменчивость, которая долгое время досаждала этой области, на самом деле является возможностью изучить правила, по которым клетка собирается вместе", - сказал Уоллес Маршалл, доктор философии, профессор биохимии и биофизики Калифорнийского университета в Сан-Франциско и член научно-консультативного совета Института Аллена по изучению клетки. "Этот подход применим практически к любой клетке, и я ожидаю, что многие другие ученые возьмут на вооружение эту методику".

Вычисление грушевидности наших клеток

В рамках работы, начатой более семи лет назад, команда Института Аллена сначала создала коллекцию стволовых клеток, генетически спроектированных таким образом, чтобы они освещали различные внутренние структуры под флуоресцентным микроскопом. Имея на руках клеточные линии, маркирующие 25 отдельных структур, ученые затем сделали трехмерные изображения с высоким разрешением более 200 000 различных клеток.

И все это для того, чтобы задать один, казалось бы, простой вопрос: Как наши клетки организуют свою внутреннюю структуру?

Оказалось, что получить ответ на этот вопрос очень сложно. Представьте, что вы обставляете свой офис сотнями различных предметов мебели, к каждому из которых должен быть свободный доступ, и многие из которых должны свободно двигаться или взаимодействовать в зависимости от своей задачи. А теперь представьте, что ваш офис - это мешок с жидкостью, окруженный тонкой мембраной, а многие из этих сотен предметов мебели - еще меньшие мешки с жидкостью. Поговорим о кошмаре дизайна интерьера.

Ученые хотели узнать: Как все эти крошечные клеточные структуры расположены друг относительно друга? Всегда ли "структура А" находится в одном и том же месте, или это случайность?

Команда столкнулась с проблемой, сравнивая одну и ту же структуру между двумя разными клетками. Несмотря на то, что исследуемые клетки были генетически идентичны и выращивались в одинаковых лабораторных условиях, их формы существенно различались. Ученые поняли, что невозможно сравнить положение структуры А в двух разных клетках, если одна клетка короткая и шарообразная, а другая - длинная и грушевидная. Поэтому они присвоили номера этим корявым шарикам и вытянутым грушам.

Используя вычислительный анализ, команда разработала так называемое "пространство форм", которое объективно описывает внешнюю форму каждой стволовой клетки. Это пространство формы включает восемь различных измерений вариаций формы, таких как высота, объем, удлинение, а также метко описанные "грушевидность" и "бобовидность". Затем ученые могут сравнивать яблоки с яблоками (или бобы с бобами), рассматривая организацию клеточных структур внутри всех клеток одинаковой формы.

"Мы знаем, что в биологии форма и функция взаимосвязаны, и понимание формы клеток важно для понимания того, как они функционируют", - говорит Виана. "Мы разработали схему, которая позволяет нам измерить форму клетки, и как только вы это сделаете, вы сможете найти клетки похожей формы, а затем заглянуть внутрь этих клеток и посмотреть, как там все устроено".

Строгая организация

Когда они посмотрели на расположение 25 выделенных структур, сравнивая эти структуры в группах клеток с похожей формой, они обнаружили, что все клетки устроены удивительно похоже. Несмотря на огромные различия в форме клеток, их внутренняя организация была поразительно последовательной.

Если вы посмотрите на то, как тысячи белых воротничков расставляют мебель в многоэтажном офисном здании, то вам покажется, что каждый работник ставит свой стол в центре офиса, а шкаф для бумаг - в дальнем левом углу, независимо от размера и формы офиса. Допустим, вы нашли офис, в котором шкаф для бумаг брошен на пол, а бумаги разбросаны повсюду - это может рассказать вам кое-что о состоянии этого конкретного офиса и его обитателе.

То же самое относится и к клеткам. Обнаружение отклонений от нормального положения вещей может дать ученым важную информацию о том, как изменяются клетки, когда они переходят из неподвижного состояния в подвижное, готовятся к делению или что происходит на микроскопическом уровне при заболеваниях. Исследователи рассмотрели два варианта в своем наборе данных - клетки на краях колоний клеток и клетки, которые подвергаются делению для создания новых дочерних клеток, процесс, известный как митоз. В этих двух состояниях ученые смогли обнаружить изменения во внутренней организации, коррелирующие с различной средой или деятельностью клеток.

"Это исследование объединяет все, что мы делали в Институте клеточных наук Аллена с момента основания института", - сказал Ру Гунавардане, доктор философии, исполнительный директор Института клеточных наук Аллена. "Мы создали все это с нуля, включая метрики для измерения и сравнения различных аспектов организации клеток. Что меня действительно радует, так это то, как мы и другие члены сообщества теперь можем развивать это и задавать вопросы о клеточной биологии, которые мы никогда не могли задать раньше".