Stejně jako je těžké porozumět rozhovoru bez znalosti jeho kontextu, může být pro biology obtížné pochopit význam genové exprese, aniž by znali prostředí buňky. K vyřešení tohoto problému vyvinuli vědci z Princeton Engineering metodu, jak objasnit okolí buňky, aby biologové mohli dát větší význam informacím o genové expresi.
Výzkumníci pod vedením profesora informatiky Bena Raphaela doufají, že nový systém otevře dveře k identifikaci vzácných typů buněk a výběru možností léčby rakoviny s novou přesností. Raphael je hlavním autorem článku popisujícího metodu publikovaného 16. května v Nature Methods.
Základní technika propojení genové exprese s prostředím buňky, nazývaná prostorová transkriptomika (ST), existuje již několik let. Vědci rozkládají vzorky tkáně na mikroskopickou mřížku a spojují každé místo na mřížce s informacemi o genové expresi. Problém je v tom, že současné výpočetní nástroje mohou analyzovat prostorové vzorce genové exprese pouze ve dvou dimenzích. Experimenty, které používají více řezů z jednoho vzorku tkáně – jako je oblast mozku, srdce nebo nádoru – je obtížné syntetizovat do úplného obrazu typů buněk v tkáni.
Metoda výzkumných pracovníků z Princetonu, nazvaná PASTE (pro Probabilistic Alignment of ST Experiments), integruje informace z více řezů odebraných ze stejného vzorku tkáně a poskytuje trojrozměrný pohled na genovou expresi v nádoru nebo vyvíjejícím se orgánu. Když je pokrytí sekvencí v experimentu omezené kvůli technickým nebo cenovým problémům, PASTE může také sloučit informace z více tkáňových řezů do jediného dvourozměrného konsenzuálního řezu s bohatšími informacemi o genové expresi.
"Naše metoda byla motivována pozorováním, že biologové často provedou více experimentů ze stejné tkáně," řekl Raphael. "Nyní tyto replikované experimenty nejsou úplně stejné buňky, ale jsou ze stejné tkáně, a proto by měly být velmi podobné."
Technika týmu dokáže zarovnat více řezů z jednoho vzorku tkáně, kategorizovat buňky na základě jejich profilů genové exprese při zachování fyzického umístění buněk v tkáni.
Projekt začal v létě 2020 poté, co Max Land, koncentrátor matematiky z Princeton's Class of 2021, absolvoval Raphaelův kurz „Algorithms in Computational Biology“. Land, nadšený z rychle se vyvíjejícího oboru a příležitostí zlepšit chápání lidského zdraví a nemocí, oslovil Raphaela, aby se zapojil do výzkumu, a začal pracovat na kódu pro vývoj toho, co se stalo metodou PASTE. Poradili mu Raphael a hlavní autor studie Ron Zeira, bývalý postdoktorandský výzkumník v Princetonu, který je nyní vědeckým pracovníkem ve společnosti Verily pro přesné zdraví.
Na tuto práci se zaměřila Landova závěrečná práce a tento článek napsal spolu se Zeirou, Raphaelem a Alexandrem Strzalkowskim, Ph.D. student. Land, nyní počítačový biolog v Memorial Sloan Kettering Cancer Center v New Yorku, řekl, že mentorství Zeiry a Raphaela bylo zásadní v jeho snaze o výzkumnou kariéru.
Tým vyvinul svou metodu pomocí dat simulované genové exprese ze studie prostorové transkriptomiky nádoru prsu, kde byla dříve zjištěna korespondence mezi řezy tkáně. Poté vyhodnotili metodu na datech shromážděných ze vzorků prefrontálního kortexu mozku, který má známou strukturu sestávající z vrstev různých typů buněk s jedinečnými podpisy genové exprese.
Vědci také použili PASTE na data shromážděná ze čtyř různých biopsií rakoviny kůže pacientů. Předchozí analýza těchto dat naznačovala složitou mozaiku buněčných typů s vysokým stupněm promísení rakovinných a zdravých buněk. Metoda PASTE však odhalila, že zjevně nízká prostorová koherence u tří vzorků pacientů byla pravděpodobně způsobena nízkým pokrytím sekvencí v experimentech. Nová analýza ukázala, že buňky byly seskupeny do více sousedících shluků, což je biologicky pravděpodobnější scénář.
„Poté, co integrujeme několik těchto řezů a efektivně zvýšíme pokrytí dat, získáme prostorově koherentnější seskupení buněk, což je rozumnější, než kdyby byly všechny typy buněk náhodně umístěny ve tkáni,“ řekla Zeira.
Zatím největším souborem dat, který tým analyzoval, byl vzorek srdeční tkáně s devíti řezy, ale zaměřují se na experimenty s myšími embryi, které obsahují více než 30 řezů. Kromě výpočetních úvah zůstávají experimenty s prostorovou transkriptomikou v tomto měřítku pro mnoho laboratoří drahé, řekl Raphael.
Přesto dodal, „doufáme, že mít nástroj jako PASTE povzbudí více výzkumníků k provádění replikačních experimentů, protože nyní mohou skutečně využívat informace z dalších řezů způsobem, který dříve nemohli snadno dělat.“
Výzkumný článek „Zarovnání a integrace dat prostorové transkriptomiky“ byl podpořen finančními prostředky od amerického Národního institutu pro rakovinu.
Odkaz: Zeira R, Land M, Strzalkowski A, Raphael BJ. Zarovnání a integrace dat prostorové transkriptomiky. Metody Nat. 2022. doi: 10.1038/s41592-022-01459-6
Tento článek byl znovu publikován z následujících materiálů. Poznámka: Materiál mohl být upraven z hlediska délky a obsahu. Pro další informace prosím kontaktujte citovaný zdroj.
