Ieškoti

Mokslas prie kavos puodelio

Single-cell RNAseq, metamfetaminas ir vaisiaus smegenys


Terminas “ląstelė” pirmą kartą buvo paminėtas 1665 metais. Termino autorius Robertas Hukas (angl. Robert Hook) naudojo savo sukurtą mikroskopą tyrinėti įvairius siaurai supjaustytus mėginėlius: svogūno lukšto odelę, samanos lapelį, kamštieną. Hukas ląstelėms davė tokį vardą (angl. “cell”), nes ląstelinės sienelės jam priminė celes vienuolynuose. Vienas pagrindinių ląstelių teorijos principų yra ląstelės laikymas smulkiausiu gyvybės vienetu. 300 metų po lemtingo Huko atradimo vis dar egzistuoja daugybė paslapčių apie ląsteles. Viena iš tokių paslapčių yra klausimas, kurios ląstelės yra veikiamos aplinkos veiksnių (pvz., vaistų, kancerogeninių medžiagų) audiniuose, kurie nėra vienalyčiai - t.y., sudaryti iš daugiau nei vieno ląstelių tipo.


Ypač įdomus atvejis yra metamfetamino poveikis vaisiaus smegenimis. Kartais nėščia moteris, priklausoma nuo metamfetamino, tęsia narkotikų vartojimą nėštumo metu. Gimusiam vaikui toks motinos pasirinkimas gali lemti kognityvinius deficitus, tokius kaip suprastėjusi atmintis, prastesnis dėmesio sutelkimas ar ženkliai pablogėjusi vizualinė motorinė integracija [1]. Įdomu tai, kad biologiniai procesai, kurie lemia tokį drastišką poveikį, nėra pilnai suprantami. Kokie vaisiaus smegenų vystymosi procesai yra paveikti motinos metamfetamino vartojimo? Kurios ląstelės vaisiaus smegenyse yra “jautriausios” narkotiko poveikiui? Kurios ląstelės tampa kenksmingomis kūdikio smegenims?


Norint atsakyti į pastaruosius klausimus, reikia gebėti tirti atskiras ląsteles nevienalyčiuose audiniuose ir analizuoti jas atskirai. Pavienių ląstelių analizė yra svarbi daugybei biologinių tyrimų sričių. Pavyzdžiui, vėžio tyrimuose yra ypač svarbu identifikuoti vėžio kamienines ląsteles (vilkus), besislepiančius tarp nevėžinių kamieninių ląstelių (avyčių) [2]. Metamfetamino poveikio vaisiaus smegenims atveju svarbu suprasti skirtingas ląsteles ir jų “atsaką” į metamfetaminą. Praeitą savaitę mes sužinijome apie glijos ląsteles. Žmonių smegenyse yra ne tik neuronai, bet taip pat ir astrocitai, oligodendrocitai ir mikroglijos. Ar metamfetaminas veikia neuronines ląsteles? O gal jis kažkaip veikia astrocitus? O gal šiuo atveju svarbi mikroglijų rolė? Panašius klausimus kėlė ir Kalifornijos San Diego universiteto neuromokslininkai [1].


Man asmeniškai labai įdomi yra šio eksperimento metodologija. Mokslininkai turėjo padaryti du dalykus: a) gauti prieigą prie vaisiaus smegenų, kurias galima būtų “apkvaišinti” metamfetaminu, ir b) suprasti metamfetamino poveikį atskiroms ląstelių grupėms. Dėl tikriausiai visiems suprantamų priežasčių, mokslininkai nepradėjo vogti naujagimių iš ligoninių ar kviesti nėščias motinas pasivaišinti metamfetaminu. Išeitis buvo rasta, nusprendus naudoti smegenų organoidus, dar žinomus kaip “mini-smegenys”. Smegenų organoidai yra kamieninės ląstelės, kultivuotos petri lėkštutėse, turinčiose visas joms reikiamas maistingąsias medžiagas ir molekules, reikalingas tampant smegenų audiniu (žr. 1-ąją iliustraciją). “Mini-smegenys” gali užaugti ir morfologiškai priminti 10-ties savaičių vaisiaus smegenis. Jeigu “mini-smegenų” tema jus sudomino, siūlau paskaityti ankstesnį mano straipsnį, kuriame pasakojau apie tai, kaip šios “mini-smegenys” buvo sukurtos, norint suprasti zikos viruso pasekmes vaisiaus smegenims [3].


1 iliustracija - Smegenų organoidai

Taigi - mokslininkai simuliuoja vaisiaus smegenis, naudodami smegenų organoidus. Mokslininkai nori suprasti, kas atsitinka skirtingoms ląstelėms “mini-smegenyse”. Tačiau kaip atskirti skirtingų tipų ląsteles? Sprendimas yra randamas naujoje technologijoje, vadinamojoje pavienių ląstelių RNR sekvenavimu (angl. single-cell RNAseq). Leiskite man paaiškinti, kaip ši technologija veikia.


Kai smegenų organoidai yra panardinami į vandenį, turintį didelę koncentraciją metamfetamino, ląstelės “mini-smegenyse” pradeda keistis. Ląstelės keičia savo genomų ekspresiją. Lengviausia suprasti, kas yra tas genomas, naudojant analogijas. Genomas yra tarsi vadovas ar enciklopedija, kurioje yra užrašyta visa reikalinga informacija, paverčianti ląstelę ląstele. Ląstelės gali pasirinkti išimti ištrauką (ekspresuoti) iš šios enciklopedijos (genomo) ir nurodyti ląstelei atlikti kokią nors funkciją - pvz., pajudėti, nužudyti bakteriją ar pradėti labiau kaupti cukrų, nes aplinkoje sumažėjo maistingųjų medžiagų. Sekvenavimo technologijos įgalina mokslininkus skaityti genomą ar jo ištraukas ir rasti genų ekspresijos pokyčius lastelių genomuose, kai šios yra veikiamos metamfetamino.


Paskutinis žingsnis, kuris leidžia mokslininkams teigti, kad skirtingi ląstelių tipai skirtingai reaguoja į metamfetaminą, yra genų ekspresijos duomenų grupavimas (angl. “clustering”). Bioinformatika (dar žinoma kaip bioinformacija) yra biologijos mokslas, analizuojantis biologinius duomenis ir pritaikantis įvairius statistinius matematinius triukus šiems duomenims. Štai kaip veikia grupavimas. Pirma, genų ekspresijos duomenys išdėstomi, atsižvelgiant į sąlyginį duomenų panašumą. Smulkios šio grupavimo detalės nėra tokios svarbios - esmė yra ta, kad to pačio tipo ląstelės (pvz., neuronai, ar astrocitai) bus statistiškai panašesni vienas su kitu ir todėl bus grupuojami kartu (žr. 2-ą iliustraciją, padedančią suprasti, kaip tas grupavimas atrodo). Antras ir lemtingas žingsnis šiame eksperimente yra grupavimo rezultatų žymėjimas ląstelių genetiniais “parašais”. Astrocitai turi grupę genų, kuriuos ekspresuoja tik jie. Neuronai turi kitus genus, kuriuos ekspresuoja tik jie ir taip toliau... Pažymėję sugrupuotas grupes, mokslininkai gali nusakyti, kaip skirtingų tipų ląstelės keičia savo genomus. Taigi, apibendrinant, naudodami single-cell RNAseq technologiją, mokslininkai išsiaiškina, kurios ląstelės ir kaip keičia savo genomus, reaguodamos į metamfetaminą.


2 iliustracija - Genų ekspresijos duomenų grupavimo rezultatai. Skirtingos spalvos rodo skirtingas ląstelių grupes

Galiausiai galima klausti - tai kas gi atsitinka vaisiaus smegenims, kai motina vartoja metamfetaminą? Ar labiausiai yra paveikiami neuronai? Žinoma, kad ne! Single-cell RNAseq analizė atskleidė, kad “mini-smegenys” aktyvuoja genus, atsakingus už neuroninį uždegimą. Primenu, kad astrocitai yra ypač svarbios smegenų ląstelės, primenančios žvaigdes. Šios ląstelės yra atsakingos už maistinių medžiagų patiekimą neuronams, be to, jos ir pačios geba komunikuoti ir reguliuoti smegenų veiklą. Metamfetamino sukeltas neuroninis uždegimas, kuriame pirmaisiais smuikas griežia astrocitai, neigiamai paveikia kamieninių neuronų ląstelių (mano vadinamų “neuronais leliukais”) vystymąsi, kuris vėliau gali sutrikdyti normalų vaisiaus vystymąsi. Taigi, glijos ląstelės vėl buvo ignoruojamos ir nuvertintos. Tačiau tik žvelgdami į atskiras ląstelių grupes mes galime pilnai suprasti kompleksines biologines problemas, tokias kaip metamfetamino efektas vaisiaus smegenims.


Straipsnį INA vardu parengė Matas Vitkauskas ir dr. Laura Bojarskaitė





Šaltiniai:

  1. https://www.nature.com/articles/s41380-020-0676-x

  2. https://www.immunosensation-blog.de/dont-judge-book-cover-scrna-seq-tells-cells-story/

  3. https://www.integrativeneuroscience.org/post/mokslas-prie-kavos-puodelio-7


1 iliustracija - https://www.stemcell.com/organoid-embedding-sheet.html

2 iliustracija - https://www.nature.com/articles/s41380-020-0676-x/figures/1

Viršelio iliustracija - https://www.whattoexpect.com/pregnancy/fetal-development/fetal-sex-organs-reproductive-system/