Bolnički vrtići rutinski postavljaju meke trake oko sitnih zapešća novorođenčadi koje sadrže važne identifikacione informacije kao što su ime, pol, majka i datum rođenja. Istraživači sa Rokfelerovog univerziteta koriste isti pristup sa moždanim ćelijama novorođenčadi – ali ova novorođenčad će zadržati svoje identifikacione oznake doživotno, tako da naučnici mogu da prate kako rastu i sazrevaju, kao sredstvo za bolje razumevanje procesa starenja mozga.
Kao što je opisano u novom članku u Cell , nova metoda koju su razvili Rokfelerov genetičar Juniue Cao i njegove kolege naziva se TrackerSci (izgovara se „nebo“). Ovaj pristup niske cene i velike propusnosti već je otkrio da dok se novorođene ćelije nastavljaju proizvoditi tokom života, vrste ćelija koje se proizvode u velikoj meri variraju u različitim godinama.
Ovaj revolucionarni rad, koji su predvodili prvi autori Ziju Lu i Melisa Džang iz Caoove laboratorije, obećava da će uticati ne samo na proučavanje mozga već i na šire aspekte starenja i bolesti u ljudskom telu.
„Ćelija je osnovna funkcionalna jedinica našeg tela, tako da promene na ćeliji u suštini leže u osnovi gotovo svake bolesti i procesa starenja“, kaže Cao, šef Laboratorije za jednoćelijsku genomiku i populacionu dinamiku. „Ako možemo sistematski da karakterišemo različite ćelije i njihovu dinamiku koristeći ovu novu tehniku, možemo dobiti panoramski pogled na mehanizme mnogih bolesti i enigmu starenja.
Nove ćelije se kontinuirano proizvode u mozgu odraslih sisara, što je kritičan proces povezan sa pamćenjem, učenjem i stresom. Razvijaju se iz progenitornih ćelija — potomaka odraslih matičnih ćelija koje se diferenciraju u specijalizovane tipove ćelija.
Kako se ovaj proces odvija, međutim, uglavnom je nepoznat, kako zbog tehnoloških ograničenja, tako i zbog retkosti ćelija. Pronalaženje progenitornih ćelija u mozgu je poduhvat igla u plastu sena; kod sisara, oni čine samo 0,5% svih moždanih ćelija. Taj broj pada na 0,1 odsto u kasnijim fazama života – pomeranje naniže zbog ćelijske nestabilnosti, osnovne karakteristike bolesti i starenja.
Cao proučava kako tkiva i organi održavaju stabilne populacije ćelija – što je obeležje zdravlja – pa su on i njegov tim želeli da istraže kako se različite ćelijske populacije razvijaju i da li ove različite neuronske ćelije opadaju na isti način ili krive različite puteve. Praćenje njihovog ćelijskog životnog veka od rođenja do zrelosti otkrilo bi ne samo razlike, već i kada su se pojavile.
Njegova laboratorija je specijalizovana za optimizaciju metoda za jednoćelijsko sekvenciranje, sve popularniji pristup analizi koji se bavi genetskom ekspresijom i molekularnom dinamikom pojedinačnih ćelija. Caoova grupa koristi kombinatorno indeksiranje, sofisticiranu ali isplativu tehniku koja omogućava istovremenu analizu miliona ćelija.
Ovaj metod jedinstveno označava ćelijske molekule različitim bar kodovima koji su u korelaciji sa jedinstvenim molekularnim sklopom svake ćelije. Sa TrackerSci, Cao i njegove kolege su još više usavršili ovu tehniku. Ovo poboljšanje omogućava precizno obeležavanje i praćenje dinamike retkih progenitornih ćelija u organima sisara.
„To je kao kombinacija lične karte i GPS tragača“, kaže Cao.
Za trenutnu studiju, istraživači su analizirali više od 10.000 novorođenih progenitornih ćelija iz čitavog mozga miša koji obuhvata tri uzrasta (mladi, zreli i stariji) sa sintetičkim molekulom poznatim kao 5-etinil-2-deoksiuridin (EdU). Kako su se ove novorođene ćelije razlikovale, razmnožavale i disperzovale, EdU je nastavio da obeležava njihovu DNK, funkcionišući kao GPS tragač.
Ova inovativna tehnika omogućila je istraživačima da analiziraju desetine hiljada ekspresija gena i hromatinske pejzaže ovih novorođenih ćelija dok su one rasle u porodice tipova ćelija sa različitim molekularnim funkcijama.
„Uspeli smo da kvantifikujemo ćelijsku proliferaciju i stope diferencijacije mnogih tipova ćelija u celom mozgu u jednom eksperimentu, što nije bilo moguće korišćenjem konvencionalnih pristupa“, kaže Cao. „One hvataju samo statičke informacije — trenutno molekularno stanje ćelije u jednom trenutku. Ali TrackerSci beleži dinamičke informacije tokom vremena. To je kao da druge metode prave snimke, a mi snimamo film.“
Neki jasni — i iznenađujući — likovi su se pojavili iz ovih filmova. Najupečatljivije je to što je došlo do radikalnih promena u tipu generisanih ćelija, u zavisnosti od starosti miša.
Na primer, broj progenitora koji postaju neuroni, esencijalne komunikativne ćelije mozga, veći je kod mladih mozgova. Isti je slučaj i sa nizom glijalnih ćelija, koje stvaraju stabilno okruženje za neurone tako što ih pokrivaju, obezbeđuju hranljive materije i brane se od patogena – što je sve važno za mlad organ koji se još uvek razvija.
U mozgu starijih osoba je suprotno. Progenitorske ćelije retko postaju ili neuroni ili glijalne ćelije; u stvari, skoro svaki tip moždanih ćelija pada. Najviše su izgubljeni neuroblasti zupčastog vijuga, koji su neophodni za stvaranje neurona u hipokampusu, regionu koji je povezan sa pamćenjem i bolestima poput Alchajmerove bolesti. U poređenju sa mozgom odraslih, broj ovih ćelija opada za 16 puta u mozgu starijih osoba.
Umesto toga, imune ćelije i mikroglija, neka vrsta makrofaga, proliferiraju u starenju mozga. Ali umesto da štite mozak, oni se pretvaraju u inflamatorno ćelijsko stanje specifično za starenje – a ove ćelije se proizvode većom brzinom. Ukratko, mozak koji stari stvara više ćelija koje stvaraju više problema za starenje mozga.
Cao kaže da bi TrackerSci mogao da se koristi za praćenje regenerativnog kapaciteta mnogih organa.
„Mi nismo laboratorija za mozak“, primećuje on. „Takođe smo testirali protokol za profilisanje progenitornih ćelija u plućima, debelom crevu, pankreasu i mnogim različitim organima.“
Drugi organi imaju daleko veće proporcije progenitornih ćelija nego mozak; na primer, novorođeni progenitori čine više od 20 procenata ćelija u debelom crevu. Pre nekoliko godina, Cao je pokazao potencijal za analizu dinamike ćelijske populacije u ljudskom fetalnom razvoju stvaranjem ćelijskog atlasa korišćenjem slične metode kombinatornog indeksiranja.
TrackerSci je jedna od nekoliko tehnika jednostrukog sekvenciranja koje su se nedavno pojavile iz Caoove laboratorije. Druga, nazvana PerturbSci-Kinetics, koju je razvio diplomirani student Zihan Ksu, dekodira regulatornu mrežu na nivou genoma koja leži u osnovi vremenske dinamike RNK spajanjem skalabilne jednoćelijske genomike sa genetskim perturbacijama visoke propusnosti ili manipulacijama koje mogu uticati na funkciju gena. Metoda je nedavno opisana u radu objavljenom u časopisu Prirodna biotehnologija.
