Ein Forscherteam von Dana Pe'er an der Columbia University und Garry Nolan an der Stanford University führte beschreiben eine leistungsstarke neue Methode zur Abbildung zellulärer Entwicklung auf Einzelzellebene in der Zeitschrift Cell . Durch die Kombination von neuen Technologien für die Untersuchung einzelner Zellen mit einem neuen , erweiterten Rechenalgorithmus , haben sie die umfassendste Karte überhaupt der menschlichen B-Zell- Entwicklung gemacht erstellt. Ihr Ansatz werden die Forscher die Fähigkeit zur Entwicklung in Zellen aller Art zu untersuchen, ist es möglich, seltene Aberrationen in Entwicklung, die zu Krankheiten führen zu identifizieren und letztlich helfen , die nächste Generation der Forschung in der regenerativen Medizin zu führen stark verbessern.
Diskutieren , warum mit dieser Art von Karten ist ein wichtiger Fortschritt , erklärt Dr. Pe'er , " Es gibt so viele Krankheiten, die sich aus Störungen in der molekularen Programme, die die Entwicklung unseres Zell-Repertoire und so viele seltene , aber wichtige Kontrolle führen , regulatorische Zelltypen , die wir noch zu entdecken. wir können nur wirklich verstehen, was schief geht bei diesen Erkrankungen , wenn wir eine vollständige Karte der Progression in der normalen Entwicklung . Solche Karten werden auch als Kompass für die regenerative Medizin zu handeln , denn es ist sehr schwierig, wachsen etwas , wenn Sie nicht wissen, wie es in der Natur entwickelt . zum ersten Mal , macht unsere Methode ist es möglich, eine hochauflösende Karte , auf Einzelzellebene zu bauen, dass diese Art von Forschung führen kann . "
Obwohl herkömmliche Dogma charakterisiert Entwicklung als eine Reihe von diskreten Schritten , Zellen tatsächlich in einem Prozess der kontinuierlichen Umwandlung zu entwickeln. Wie eine Zelle reift, die komplexe, vernetzte Molekül Programme, die ihre Tätigkeit nach und nach ändern regulieren . Diese Programme können auch signifikant zwischen Zellen gleicher Art und in vielen wichtigen regulatorischen Zelltypen können seltene Abweichungen in diesen Programmen verheerende Auswirkungen haben . Bisher war es schwierig, diese feinen Unterschiede in ausreichendem Detail zu beobachten , sie zu unterscheiden , aber neue Technologien bieten heute wichtige neue Chancen.
So wie der Genomsequenzierung verwandelt , wie der Biologie wurde in den letzten zehn Jahren untersucht , werden neue Technologien für die Analyse der molekularen Eigenschaften einzelner Zellen revolutionieren die Art von Fragen viele Biologen fragen . Dr. Pe'er sieht Single-Cell- Ansätze als einen wichtigen Schritt über Genomik . " DNA-Sequenzierung können Gene und Mutationen zu identifizieren , aber oft sind sie nicht in Zusammenhang untersucht ", betont sie . "Mit Single-Cell- Ansätzen können wir die Zellen der Karte , wo die Action passiert eigentlich, und was die Gene sind in ihnen zu tun . "
In dem in der Zelle Papier beschrieben Forschung, verwendet die Forscher eine neue Technologie namens Massen Zytologie , die in einem einzigen Experiment kann 44 molekularen Markern gleichzeitig in Millionen von einzelnen Zellen zu messen. Dies bietet eine Fülle von Daten, die verwendet werden können, zu vergleichen, zu kategorisieren und in chronologischer Reihenfolge des Zellen und macht es möglich, beginnen die Identifizierung der molekularen Systemen für Entwicklung wesentlich detaillierter als je zuvor möglich war .
Unter Ausnutzung dieser komplexen Einzelzellen- Daten benötigt auch die Forscher zu neuen mathematischen und computergestützten Methoden für die Interpretation zu entwickeln. So wie man ein physikalisches Objekt in drei Dimensionen darstellen - Länge, Breite und Höhe - die Pe'er lab Ansatz beteiligt Denken der 44 Messungen in 44 -dimensionalen geometrischen Objekt. Dann entwickelte ein neues Rechenalgorithmus , genannt Wanderlust , die mathematische Konzepte verwendet von einem Feld mit dem Namen der Graphentheorie , um diese hochdimensionalen Daten in einer einfachen Form , die leichter zu interpretieren ist zu reduzieren.
Eine solche hochdimensionale Geometrie ist unmöglich für uns, sichtbar zu machen, und so wandelt die Wanderlust Ansammlung von Messungen der wichtigen Entwicklungs Marker in jeder Zelle in einer einzigen eindimensionalen Wert, der Ort der Zelle in der Chronologie der Entwicklung entspricht . Richtig gesetzt jeder Zelle vorhanden, wandelt Wander hochdimensionalen Geometrie in einem Diagramm , in dem jede einzelne Zelle wird durch einen Punkt , der durch eine Leitung angeschlossen ist dargestellt (auch als eine Kante ) an andere Zellen, die am ähnlichsten sind es . Zellen, die am nächsten in der Entwicklungs Trajektorie erscheinen nahe beieinander auf dem Graphen , während jene, die in unterschiedlichen Entwicklungsstadiensind weiter entfernt erscheinen . Durch die Aufnahme all der Hunderttausende von Zellen, die profiliert wurden , hat dieser Graph nicht zwingen Zellen in Kategorien , stellt eine kontinuierliche neue Geometrie , die den gesamten Entwicklungsflugbahnnimmt aber .
Laut Dr. Pe'er , "Seit Jahren hat sich die Mathematik in der Physik verwendet worden , um zu zeigen , dass es sehr elegante mathematische Zusammenhänge , die die Art und Weise das Universum aufgebaut ist, zu definieren. Wenn aus der Perspektive der Mathematik sah , sehen wir , dass die Komplexität in der Biologie gefunden ist auch schön strukturiert und strukturiert. Unser Körper hat Billionen von Zellen aus unzähligen verschiedenen Arten , jede Art , die verschiedene molekulare Eigenschaften und Verhalten . erweitert Diese Komplexität aus einer einzigen Zelle in einer sorgfältig regulierten Prozess namens Entwicklung. Diese Regelung schafft Muster und Formen in der hochdimensionalen Daten, die wir messen. Durch die Verwendung von Wanderlust , diese Daten zu analysieren, können wir die Muster zu finden und zu verfolgen die Flugbahn , die zelluläre Entwicklung folgt . "
Um ihr Konzept zu testen , untersuchten die Forscher die Entwicklung in humanen B-Zellen , einem Zelltyp , der in der adaptiven Immunantwort wichtig ist, und wird in einer Vielzahl von Autoimmunerkrankungen sowie bestimmter Krebsarten beteiligt sind. Da Immunzellen weiterhin während des Erwachsenenlebens zu entwickeln , auch nur eine einzige Probe von einer Knochenmark enthält Zellen, die von allen Stadien der B-Zell- Entwicklung. Ermittler in der Nolan Labor verwendet Massen Zytometrie zu 44 Marker in einer Kohorte von etwa 200.000 gesunde Immunzellen, die aus einer solchen Probe gesammelt wurden Profile . In jeder Zelle sie gemessen Zelloberflächenmarker , die identifizieren, welche Art von Zelle ist es helfen , sowie als Marker in der Zelle , die zeigen , was der Zelle tut , einschließlich Markern für die Signalisierung , die den Zellzyklus , Apoptose und Genom -Umlagerung.
Verwenden von Wanderlust , die hochdimensionalen Daten Massen Zytometrie vorgesehen analysieren , genau bestellt die Forscher die gesamte Flugbahn von 200.000 Zellen entsprechend ihrer Entwicklungs Chronologie. In einem starken Hinweis auf die Richtigkeit, Wanderlust erfasst und alle primären molekularen Landmarken bekannt in menschlichen B -Zell-Entwicklung vorhanden sein korrekt sortiert . Wanderlust lokalisiert auch eine Reihe von bisher unbekannten regulatorischen SchlüsselsignalCheckpoints, die für den menschlichen B -Zell-Entwicklung sowie uncharacterized Subtypen von B-Zell- Vorläuferzellen , die zu wichtigen Entwicklungsstadien entsprechen erforderlich sind. Dieser Verlauf stellt die umfassendste Analyse der menschlichen B -Zell-Entwicklung , die jemals durchgeführt wurde .
Im Zeichen der hohen Präzision, die Wanderlust bietet für die Untersuchung einzelner Zellen , die Forscher berichten auch, dass sie selten, bislang unbekannte Signalwege , die die Signal-Protein STAT5 , die in nur 7 von 10.000 Zellen aufgetreten identifiziert. Dieser Regulierungs Ereignis in dem Prozess der VDJ Rekombination , eines flüchtigen Zeit, wenn der B- Zelle reshuffling seine eigene DNA beteiligt. Weitere Laborversuche haben gezeigt, dass diese Störung Signalereignisse mit Kinase-Inhibitoren vollständig zum Stillstand gekommen , die Entwicklung von B-Zellen .
Identifizierung und Charakterisierung der regulatorischen Kontrollpunkte , die Steuerung und Überwachung von Zellschicksal kann viele praktische Anwendungen haben, da viele Krankheiten entstehen durch Ungleichgewicht in den vom Immunsystem produziert Zelltypen. So kann der Ansatz, beschreiben die Autoren Erkenntnisse, die für die Entwicklung neuer Diagnostika und Therapeutika verwendet werden könnten, zu produzieren.
Dieses Verfahren zur Zuordnung wie gesunde Zellen entwickeln können angewendet werden nicht nur an B-Zellen , sondern auf jede Art von Zellen . Wie die Autoren darauf hin , bietet ihre Methode die Möglichkeit, eine Grundlage für die Untersuchung der normalen Entwicklung sowie die Prozesse für jede Art von Entwicklungs Krankheit verantwortlich . In Zukunft zu rechnen, daß sie komplexere Modelle könnten gebaut , die in der Lage ist , auch komplexere Systeme , wie das gesamte Immunsystem repräsentiert sein würden . Der heilige Gral würde bedeuten, Schaffung eines vollendeten Karte von jedem Zelltyp im Körper und wie jeder schrittweise entwickelt sich aus einer Stammzelle, die Ermittlung jede Zelle Schicksal Entscheidung auf dem Weg.
Zur Erreichung dieses Ziels wird eine Menge mehr Arbeit erfordern, aber als Dr. Pe'er weist darauf hin : "Das aktuelle Projekt ist ein Meilenstein sowohl in der Studie der Entwicklung und in Einzelzellen- Forschung und hat die Art, wie ich denke, über die Wissenschaft völlig verändert . Ein Feuer wurde angezündet, und diese Ergebnisse sind nur die Spitze des Eisbergs dessen, was ist jetzt möglich. "