Разобрать по клеточкам: как в мире решили по-новому изучить человека – Кровь5

Мария Портнягина

Разобрать по клеточкам: как в мире решили по-новому изучить человека

Фото: Matthew Daniels / wellcomeimages.com

Наш организм — это 37 трлн клеток, различных по форме, строению и функциям. Фундаментальный проект по их изучению более пяти лет назад объединил ученых из разных стран — он получил название «Атлас клеток человека». Кровь5 узнала, что это за проект, какая от него польза — в том числе для онкогематологии, — а еще поговорила с его участницей из России.

…Я считаю сороконожек в классе биологии; время проносится мимо на множестве коричневых ножек, прячась под камнями и листьями. Понадобятся ли столетия, чтобы раскрыть землю, как грецкий орех или миндаль? В конце концов, мы совершаем так много новых чудес…

Свободный стих 19-летней Анны Бейли из Северного Йоркшира победил в поэтическом конкурсе. Но не простом, а научном, устроенном создателями «Атласа клеток человека» (далее — «Атлас») для популяризации своего проекта. Во вступительном слове Анна поясняет, что она совсем не ученый, что ее интерес к исследованиям сравним с подглядыванием в замочную скважину, а клетку поэтесса называет маленькой комнатой, в которой скрыт огромный мир.

Стихотворение называется «Центриоль». Это компонент эукариотической клетки (то есть содержащей ядро — из таких состоят все живые существа, кроме бактерий и архей, то есть и мы с вами), его размер находится на границе разрешающей способности самого простого, оптического, микроскопа. В последней строчке про чудеса Анна, очевидно, отсылает к возможностям современной техники, способной на максимальную детализацию, — благодаря им мы может больше узнать об этом огромном мире, скрытом в клетке.

Заразительная идея

История «Атласа» началась в 2016 году. У его истоков стояли два молодых, но уже отмеченных наградами биолога — Авив Регев, профессор Массачусетского технологического института, и Сара Тейхман, руководитель собственной лаборатории в The Wellcome Sanger Institute, одном из ведущих британских центров, занимающихся генетическими исследованиями.

Сара Тейхман. Фото sanger.ac.uk

Регев и Тейхман обдумывали грандиозную идею: как составить детальную карту всех клеток человека, таких разных по строению, функциям и расположению в организме. Они понимали, что им это даже с коллегами не под силу, не потянет такой размах ни большой институт, ни ученые отдельно взятой страны — нужно организовать международное научное сообщество.

Конечно, создатели «Атласа» вдохновлялись самым масштабным научным проектом — «Геном человека», нацеленным на расшифровку человеческой ДНК. В нем за время существования — с 1990 по 2003 годы — активно участвовали исследователи из более чем 20 университетов США, Великобритании, Франции, Германии, Китая. Среди участников были и российские научные центры.

В общем-то человеческие клетки изучали и пытались классифицировать еще с момента изобретения микроскопа. В чем же тогда новаторство проекта Регев и Тейхман?

Не только в масштабе — охватить все клетки организма, но также в детализации — на уровне отдельных клеток за счет более тонких измерений. Дело в том, что примерно до 2010-х годов экспрессию генов — процесс преобразования наследственной информации из гена в белок — измеряли на уровне тканей, состоящих из миллионов или даже миллиардов клеток. Однако благодаря новым технологиям стало возможно секвенирование ДНК одиночных клеток.

Но и этим проект не ограничивается. «Атлас» — это, согласно замыслу, огромная база данных о клетках, составляющих человеческое тело. Ученые, участвующие в проекте, не только пополняют эту базу по стандартизированной схеме, но также могут обращаться к ней для проведения своих исследований. То есть это такой рабочий инструмент, который задействует востребованные ныне большие данные и машинное обучение для их обработки.

Что даст этот «Атлас»? По идее, благодаря нему мы будем лучше представлять, что такое здоровое состояние организма и какие изменения на клеточном уровне вызывают в нем болезни.

Авив Регев. Фото: Casey Atkins Photography, courtesy of Broad Institute

Однако этому предшествует еще очень долгий путь. Нужно, во-первых, составить каталог всех типов клеток в человеке. Во-вторых, разобраться в их функциях в разных тканях, как клетки там взаимодействуют. В-третьих, подробно описать жизненный цикл каждого типа клетки — например, от гемопоэтической клетки в костном мозге до зрелого эритроцита. В-четвертых, изучить разные состояния клеток — допустим, наивной иммунной клетки, которая прежде не сталкивалась с патогеном, и клетки после такого «знакомства».

Задач у участников проекта изначально много. Однако сама реальность добавляет новые. Отдельным направлением стало изучение клеток, подверженных вирусу COVID-19. «Исследователи выявили клетки, восприимчивые к инфекции, установили, как вирус атакует клетки по всему организму, описали механизмы его действия при тяжелых заболеваниях, определили различия иммунных реакций взрослых и детей», — сообщается на сайте «Атласа».

Глобальный интерес

К проекту на сегодня присоединилось более 2400 специалистов, которые представляют почти 1300 институтов из 83 государств, включая Россию. Это главным образом генетики, биоинформатики, медики, математики, программисты. Проект поделен на 12 направлений. Так, например, изучением клеток органов дыхания занимаются исследователи из 21 страны, на клетках системы пищеварения сфокусированы ученые из 25 стран, на иммунных клетках — из 26.

— Даже в одном и том же органе пропорции типов клеток могут варьироваться, например между мужчинами и женщинами, детьми и взрослыми, некурящими и курильщиками, носителями группы языков банту в Африке и австроазиатской семьи языков в Индии, — объясняют масштаб проекта его создатели. — Нам нужно понять, когда и как генетические, экологические и эмпирические факторы приводят к клеточным вариациям. Это требует сбора клеток из различных органов у разных групп людей.

Поэтому в базу проекта собирается информация не только о клетках, но и о тех, от кого они получены: пол, возраст, этническое происхождение и др. (им, к слову, гарантируется конфиденциальность — данные доступны ученым в обобщенном виде). Собственно биологический материал — это образцы крови, различных тканей, в случае изучения COVID-19 — мазки из носа и горла. Всё, чтобы максимально представить клеточное разнообразие человека.

Еще в 2017-м, на заре проекта, его создатели выпустили «Белую книгу»  — главный документ, включающий руководство для участников по сбору и обработке данных. Согласно ему, биологический материал — прежде всего это касается тканей — может быть получен как у живых добровольцев, так и от умерших людей, давших согласие на донорство органов после смерти или пожертвовавших свое тело на научные исследования.

Что важно отметить: фокус делается на здоровые клетки и ткани. Ведь идея проекта в том, что «Атлас» в завершенном виде станет своего рода образцом, по которому можно будет судить о нарушениях, вызываемых болезнями на клеточном уровне, отслеживать такие аномалии. А в перспективе — на основе этих знаний разрабатывать новые способы диагностики и лечения.

Сейчас в базе проекта собрано около 52 млн клеток от почти 7 тысяч человек, больше всего — из головного мозга, легких и печени.

Несмотря на общий фокус, фактически в базу собираются и клетки, пораженные болезнями. Есть данные по COVID-19, муковисцидозу, онкологическим заболеваниям, различным патологиям сердца и др. Представлены в ней и клетки костного мозга, которые используются в исследованиях иммунной системы и онкогематологических болезней.

Так, например, благодаря этим данным ученые описали различия в активации T-лимфоцитов, взятых из крови, костного мозга, легких и лимфатических узлов людей в здоровом состоянии и с различного вида опухолями. Или вот другое исследование, в котором изучалась активность B-лимфоцитов при остром лимфобластном лейкозе, позволившая понять, как возникает химиорезистентность при его лечении, и начать разработку новой таргетной терапии.

Клетки костного мозга из базы проекта использовались и в сравнительно новом направлении — в изучении гемопоэтических стволовых клеток на эмбриональной стадии развития человека. Интерес к нему связан с тем, что в этот период «могут возникать врожденные нарушения и детские виды рака». Кстати, в проекте из 12 направлений, которые в основном делятся по системам органов (пищеварительная, неврологическая, репродуктивная и др.), особо выделено педиатрическое.

Цельный организм

За годы существования проект обрел управленческую структуру. Его сопредседатели, они же сооснователи, — Регев и Тейхман. Есть также исполнительные органы и органы, следящие за соблюдением качества исследований и этических норм. Отдельные офисы «Атласа» действуют в США, Великобритании и Японии. Исследовательские группы, реализующие каждая свое направление, возглавляют авторитетные ученые.

Сегодня сайт «Атласа» — это и база данных, и обучающие материалы, и публикации, и новости проекта, а также календарь событий: для участников проводятся семинары, симпозиумы, ежегодная конференция. Ближайшая состоится в Вене этим летом в гибридном формате (в пик пандемии все встречи были только онлайн). Занимается проект и популяризацией науки — тут можно вспомнить поэтический конкурс, в котором победила Анна Бейли.

— Когда мы придумывали «Атлас», то думали о таблице химических элементов Менделеева — ведь это не просто каталог элементов, они стройно организованы, в ней показаны закономерности и взаимосвязи, — рассказывает Авив Регев. — Кроме того, Менделеев не только указал в ней уже известные на тот момент элементы, но смог описать другие, открытые спустя время. По этой модели мы хотели бы, чтобы «Атлас» по мере пополнения позволял предсказывать поведение и характеристики клеток.

Более того, создатели проекта не исключают, что в процессе работы обнаружат новые типы клеток. Профессор Регев, в частности, ссылается на исследование, опубликованное в журнале Nature в 2018-м, соавтором которого она была. По его итогам в легких был найден новый тип клеток, очень редкий, — это так называемые ионоциты. На них возлагаются большие надежды в борьбе против муковисцидоза.

Закономерный вопрос: на какие средства реализуется столь масштабная работа? Проект поддерживают правительственные организации (прежде всего департамент здравоохранения США), неправительственные коммерческие и некоммерческие структуры. Исследователи получают разные научные гранты. Компании спонсируют их оборудованием и реагентами — например, в Великобритании, Финляндии, Японии.

В США «Атлас» финансирует организация Chan Zuckerberg Initiative, сооснователь которой — Присцилла Чан, супруга Марка Цукерберга, занимающаяся поддержкой научных и социальных проектов. Так, недавний грант от нее на сумму 28 млн долларов направлен на расширение разнообразия в исследованиях: так сложилось, что «80% собранных генетических данных — от людей европейского происхождения».

Вклад из России

Наша соотечественница Юлия Медведева, руководитель группы медицинской биоинформатики и омиксных технологий НМИЦ эндокринологии Минздрава России и группы регуляторной транскриптомики и эпигеномики ФИЦ биотехнологии РАН, присоединилась к проекту «Атлас» в 2019 году. Своим направлением она выбрала изучение иммунных клеток в азиатских и других неевропейских популяциях. В этом подпроект, который называется «Азиатский атлас иммунных клеток», также заняты ученые из Японии, Южной Кореи, Сингапура.

— Большинство современных генетических исследований проведено для европеоидов, в основном северо-западных, — отмечает Медведева. — По ним собран большой массив данных. По другим популяциям информации гораздо меньше, хотя у них может отличаться частота заболеваемости, лекарства могут работать по-другому.

Ученой интересны анализ данных единичных клеток, который позволяет оценивать их состояние, функции, разные фазы жизненного цикла (ведь «клетка — это динамический объект»).

В этом году Медведева с коллегами планирует экспедицию в Казань для сбора образцов у здоровых доноров и пациентов с сахарным диабетом 2-го типа.

Идея в том, чтобы путем секвенирования экспрессии генов единичных клеток выявить связи между генетическими полиморфизмами и работой конкретного типа иммунных клеток у здоровых представителей разных этносов.

Первоначально планировалась собрать около 300 образцов, но в нынешней ситуации реактивы подорожали в 1,5 раза, так что планы, вероятно, придется корректировать.

Сбор данных начнется с татар и башкир, следующие на очереди — представители кавказских этносов. Результаты анализа кавказских и закавказских популяций будут сравниваться с данными, которые собирают коллеги с Ближнего Востока, их особенно интересуют генетические компоненты диабета — он очень распространен в этом регионе.

— В более отдаленных планах — якуты, — говорит Юлия Медведева. — Это интересная популяция. Они очень мало переселялись, так что это большая группа людей, имеющая полиморфизмы от одного общего предка. Такие генетические вариации мы нигде больше не увидим. Также интересно, что якуты не слишком далеки от популяций американских индейцев, данные которых собираются зарубежными коллегами. Возможно, нам удастся увидеть общие предрасположенности к заболеваниям.

«Атлас» дает возможность проводить интересные сравнительные исследования.

— Это в первую очередь фундаментальный проект, его достоинства — стандартизированный сбор данных, хорошо структурированная база, что удобно для исследовательской работы, — объясняет Медведева. — Собрать данные — это одно, но требуется много времени, чтобы структурировать их. Это серьезно упрощает дальнейший анализ. Например, позволяет применять методы машинного обучения, с помощью которых можно находить сложные закономерности в данных.

Основная проблема применения этих методов в биологии — недостаток данных для обучения алгоритмов. В этом проекте данных много, и за счет стандартизации с ними легко работать.

«Атлас» — это прежде всего научное сообщество. Чем оно обширнее, тем лучше для проекта. Так что условия входа в него довольно простые. На сайте вообще указано лишь возрастное ограничение — старше 16 лет. Чтобы присоединиться, достаточно отправить онлайн-заявку со своими данными.

На сегодня самое многочисленное представительство в проекте у США — 828 специалистов из 357 научных центров. Из России в нем участвуют десять ученых из восьми институтов, в числе которых — НМИЦ имени В. А. Алмазова, НМИЦ онкологии имени Н. Н. Блохина, Казанский (Приволжский) федеральный университет. Среди них и герой наших публикаций — директор Центра геномных технологий и биоинформатики МФТИ Павел Волчков. С его исследованиями Кровь5 знакомила читателей здесь и здесь.

Фото: Matthew Daniels / wellcomeimages.com
и Kevin Mackenzie, University of Aberdeen

Стать донором Помочь донорам
Читайте также
20 сентября 2022
08 сентября 2022
07 сентября 2022
01 сентября 2022
26 августа 2022
23 августа 2022
22 августа 2022
16 августа 2022
11 августа 2022
08 августа 2022
26 июля 2022
12 июля 2022