Пролиферация и выживание клеток играют важнейшую роль как в нормальном развитии организма, так и в различных патологических процессах. Для изучения этого необходимы анализы, измеряющие жизнеспособность клеток, но существующие методы страдают от недостатка разнообразных доноров клеток и ограниченной воспроизводимости. Ученые из США и Финляндии разработали подход к скринингу жизнеспособности, который опирается на «клеточные деревни» — объединенные культуры генетически разнородных клеточных линий, а именно нейрональных стволовых клеток (НСК) различных людей.
Для создания «клеточных деревень» авторы получили человеческие плюрипотентные стволовые клетки добровольцев, а затем дифференцировали их в НСК. В одной культуре содержалось от 12 до 39 линий от разных доноров.
Хотя «клеточные деревни» как модельная система набирают популярность, остаются вопросы о том, насколько снижается техническая погрешность по сравнению с отдельными культурами и как взаимодействия между клетками разных доноров влияют на фенотип. Чтобы выяснить это и проверить, подходит ли такая модель для анализа жизнеспособности клеток, авторы измерили скорость пролиферации НСК разных доноров в «деревне» и в отдельных культурах, а затем сравнили воспроизводимость результатов в каждой из моделей. Отдельные клеточные линии в «деревне» отслеживали с помощью Census-seq — этот подход опирается на секвенирование всей культуры с низким покрытием, а каждую клеточную линию отличают по своему набору генетических полиморфизмов, которые служат естественными метками.
Ученые пришли к выводу, что в целом данные, полученные на индивидуальных культурах и «деревнях», согласуются между собой, однако техническая погрешность во втором случае ниже. Также ученые убедились, что влияние чужеродных клеток (т. е. клеток других доноров) не вносит искажения в фенотип той или иной линии.
Теперь перед авторами встала новая задача — корректная обработка таких данных. Присущая группам пропорциональная структура данных делает невозможным использование традиционных статистических инструментов, поэтому авторы создали иерархическую модель регрессии Дирихле под названием Townlet. По данным секвенирования, проведенного в нескольких временных точках или при разных воздействиях, модель анализирует долю клеток каждого донора в группе и оценивает индивидуальную жизнеспособность.
Убедившись в применимости разработанной платформы, авторы применили ее для проверки нескольких биологических гипотез.
Например, известно, что гетерозиготная делеция хромосомного региона 16p11.2 повышает риск развития расстройств аутистического спектра (РАС), умственной отсталости и увеличения площади коры головного мозга. В некоторых работах сообщалось об усиленной пролиферации НСК в клеточных моделях с такой делецией, но данные были противоречивые. Отсутствие консенсуса могло быть обусловлено небольшими размерами выборок доноров (n = 3–4 линии пробандов) и технической погрешностью — теми проблемами, над решением которых и работали авторы этой статьи. Они проверили гипотезу на «клеточной деревне», которая содержала НСК в том числе от доноров с такой делецией, и подтвердили гиперпролиферацию. Авторы предполагают, что делеция 16p11.2 может способствовать макроцефалии за счет избыточного роста популяций НСК в развивающемся мозге.
Ученые проанализировали и другие гены, влияющие на пролиферацию НСК и нейроразвитие. Они обнаружили 12 полиморфизмов в регуляторной области гена ZFHX3 — этот фактор транскрипции уже связывали с регуляцией клеточного цикла и скорости пролиферации.
Наконец, исследователи проанализировали генетические варианты, влияющие на индивидуальную чувствительность (или, наоборот, устойчивость) к токсическим воздействиям. ВОЗ относит свинец к числу наиболее опасных загрязнителей из-за его распространенности и вредного воздействия на человека, в том числе нервную систему. Опыты с воздействием свинца на «клеточную деревню» НСК показали, что девять из 39 доноров отличались повышенной устойчивостью, а 11 — сниженной. Оказалось, что на нее влияют варианты в транскрипционном факторе ARNT2, который высоко экспрессируется в головном мозге и обладает нейропротекторным действием.
Таким образом, «клеточная деревня», объединяющая клетки генетически разнородных доноров, — это подходящая модель для изучения того, как генетические факторы влияют на жизнеспособность клеток в тех или иных условиях.
Химероиды — модели мозга из клеток разных людей