2023 Autor: Bailey Leapman | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-05-20 22:44
Mõned fundamentaalsed lahendamata küsimused teaduses – "Kust tekivad tüvirakud?" "Kuidas vähk areneb?" "Millal rakutüübid embrüos üksteisest eralduvad?" - võiks vastata, kui teadlastel oleks viis kaardistada keharakkude ajalugu, mis ulatuvad tagasi viljastatud munarakuni. Nüüd on Weizmanni teadusinstituudi multidistsiplinaarne meeskond välja töötanud analüütilise meetodi, mis võimaldab jälgida rakkude põlvnemispuud.
See saavutus sai alguse väljakutsest üldlevinud tarkusele, mis ütleb, et iga organismi rakk kannab oma genoomi täpset duplikaati. Kuigi rakkude jagunemisel tekivad kopeerimisel vead, mis kanduvad edasi järgmisele rakkude põlvkonnale mutatsioonidena, arvatakse, et sellised pisikesed vead genoomis on tühised ja põhiliselt ebaolulised. Kuid instituudi bioloogilise keemia osakonna teadurid Dan Frumkin ja Adam Wasserstrom, kes töötasid bioloogilise keemia ja arvutiteaduse ning rakendusmatemaatika osakonna prof Ehud Shapiro juhendamisel, tõstatasid uue võimaluse: kuigi bioloogiliselt ebaolulised, võivad kogunenud mutatsioonid säilitada. salvestus rakkude jagunemise ajaloost. Need leiud avaldati täna ajakirjas PLoS Computational Biology.
Koos arvutiteaduse ja rakendusmatemaatika osakonna prof Uriel Feigega ja uurija Shai Kaplaniga tõestasid nad, et neid mutatsioone saab käsitleda teabena ja kasutada põlvnemise laiaulatuslikuks jälgimiseks, ning rakendasid seejärel teooriat. andmete ekstraheerimiseks ja elusrakkude liinipuude koostamiseks.
Siiani rakuliini kaardistamiseks kasutatud meetodid on tuginenud arenevate embrüote otsesele jälgimisele. See meetod toimis piisav alt hästi pisikese läbipaistva ussi C. elegans puhul, millel on kokku umbes 1000 rakku, kuid inimeste puhul 100 triljoni rakuga või isegi vastsündinud hiirte või inimese embrüote puhul ühe kuu jooksul, millest igaüks millel on pärast umbes 40 raku jagunemise vooru miljard rakku, oleks ülesanne võimatu.
Uuring keskendus mutatsioonidele genoomi spetsiifilistes mutatsioonitundlikes piirkondades, mida nimetatakse mikrosatelliitideks. Mikrosatelliitides kordub mõnest nukleotiidist (geneetilisest tähest) koosnev geneetiline "fraas" ikka ja jälle; mutatsioonid avalduvad pikkuse liitmise või lahutamisena. Tuginedes praegusele arusaamale nende segmentide mutatsiooniprotsessist, tõestasid teadlased matemaatiliselt, et ainuüksi mikrosatelliidid sisaldavad piisav alt teavet ühe miljardirakulise organismi sugupuu täpseks joonistamiseks.
Nii inimese kui ka hiire genoomid sisaldavad umbes 1,5 miljonit mikrosatelliiti, kuid töörühma leiud näitasid, et kasulikku analüüsi saab teha palju väiksema arvu põhjal. Järjepideva mutatsiooniregistri saamiseks kasutas meeskond haruldase geneetilise defektiga organisme, mida leidub nii taimedes kui ka loomades. Kuigi tervetel rakkudel on parandusmehhanismid kopeerimisvigade parandamiseks ja mutatsioonide vältimiseks, puudub defektiga rakkudel see võime, mis võimaldab mutatsioonidel suhteliselt kiiresti koguneda.
Laenates arvutialgoritmi, mida kasutavad evolutsioonibioloogid ja mis analüüsib geneetilist teavet, et paigutada organisme evolutsioonipuu okstele, koostasid teadlased automatiseeritud süsteemi, mis võtab proove paljudest rakkudest pärinevast geneetilisest materjalist ja võrdleb seda konkreetsete kohta. mutatsioonid, rakendab algoritmi, et hinnata seose astmeid, ja seejärel visandab rakuliini puu. Oma süsteemi kontrollimiseks vastandasid nad seda proovitud ja tõelise meetodiga, mille abil vaadeldi rakkude jagunemist, nagu need toimusid laboris kasvatatud rakukultuuris. Meeskond leidis, et kõigest 50 mikrosatelliidi analüüsi põhjal suudavad nad eduk alt luua täpse rakuliinipuu.
Kuigi uurimisrühm kavatseb jätkata oma süsteemi testimist keerukamate organismide, näiteks hiirte peal, on mitmed teadlased juba väljendanud huvi meetodi integreerimise vastu oma valdkonna käimasolevatesse uuringutesse. Projekti juht prof Shapiro ütleb: "Meie avastus võib osutada teele tulevase "inimrakkude liini projekti", mille eesmärk on lahendada bioloogias ja meditsiinis põhilisi lahtisi küsimusi, rekonstrueerides üha suuremaid osi inimese rakuliinipuust."
Lisateabe saamiseks vaadake www.weizmann.ac.il/udi/plos2005.
Prof. Ehud Shapiro uurimistööd toetavad M. D. Morossi Vähiuuringute Instituut, Dolfi ja Lola Ebneri Biomeditsiiniuuringute Keskus, Samuel R. Dwecki Fond, Benjamini ja Seema Pulieri heategevusfond, Robert Reesi rakendusuuringute fond, Dr. Mordecai Roshwald ja Klara (Haya) Seidmani vald. Prof Shapiro on Harry Weinrebe professori õppetooli ametikoht.
Iisraelis Rehovotis asuv Weizmanni teadusinstituut on üks maailma tipptasemel multidistsiplinaarseid uurimisasutusi. Loodus- ja täppisteaduste laiaulatusliku uurimise poolest tuntud instituut on koduks 2500 teadlasele, üliõpilasele, tehnikule ja abipersonalile. Instituudi teadustöö hõlmab uute viiside otsimist haiguste ja nälja vastu võitlemiseks, matemaatika ja arvutiteaduse juhtivate küsimuste uurimist, aine ja universumi füüsika uurimist, uudsete materjalide loomist ja uute keskkonnakaitsestrateegiate väljatöötamist.
