Цепи клеток и сложные ткани
Программа Cell Circuits — это сообщество, занимающееся систематическим определением генетических и молекулярных цепей в широком диапазоне типов клеток. Собранное на еженедельной серии семинаров сообщество CCP стремится решить эту сложную, но важную биологическую проблему. CCP также принимает внешних посетителей для изучения экспериментальных и вычислительных методов в рамках деятельности NHGRI Center for Cell Circuits.
Под руководством основного преподавателя Broad Авива Регева и преподавателя института Нира Хакоэна лаборатории CCP сотрудничают в рамках программы, а также в лабораториях Broad и дочерних лабораториях для картирования клеточных цепей путем картирования молекулярных и генетических связей в типах клеток человека. Чтобы помочь создать эти комплексные «схемы соединений», лаборатории CCP также разрабатывают и применяют новые систематические общегеномные подходы для изучения структуры и функции каждой цепи. В частности, лаборатории CCP сочетают повторяющийся цикл измерений или наблюдений за клеточными реакциями в геномном масштабе, компьютерное моделирование или вывод цепей, объясняющих эти реакции, и массовые возмущения этих компонентов с последующим профилированием для проверки.
Среди основных направлений работы в КПК:
- Генетический и молекулярный анализ клеточных цепей. Наши исследователи сосредоточены на выявлении молекулярных механизмов, управляющих клеточными цепями, и на том, как генетическая информация может быть интерпретирована в контексте клеточных цепей.
- Приложение к ключевым типам ячеек и ответам. Лаборатории CCP уделяют большое внимание ключевым типам клеток, поскольку они решают биологические проблемы при разработке методов и демонстрируют ценность и понимание, полученные в результате исследований клеточных цепей. Среди ключевых систем — первичные иммунные клетки, такие как дендритные клетки и Т-клетки, дифференцировка стволовых клеток и перепрограммирование.
- Технологии и вычислительная техника. Лаборатории CCP создают экспериментальные и вычислительные инструменты для измерения и возмущения клеток, а также помогают распространять их среди более широкого сообщества. Они также разрабатывают вычислительные инструменты, включая опыт в области машинного обучения и искусственного интеллекта.
- Отношение к генетической изменчивости человека. Ученые CCP также являются ключевыми участниками инициативы Broad’s Variant to Function, целью которой является расширение усилий по пониманию влияния более чем 60 000 генетических вариантов, связанных с заболеванием, выявленных на сегодняшний день. Клеточные схемы обеспечивают естественную испытательную площадку, где можно использовать естественные генетические вариации, чтобы пролить свет на функцию цепей, одновременно выявляя влияние конкретных вариантов в клеточном контексте. Ученые CCP продемонстрировали это на иммунных клеточных системах и продолжают разрабатывать инструменты, которые также помогут ускорить усилия по V2F.
Ученые CCP извлекли большую пользу из Кларманской клеточной обсерватории. Методы, инструменты и проекты, которыми Кларманская клеточная обсерватория занималась в течение первых пяти лет своего существования, охватывая геномику отдельных клеток и клеточные схемы, расширили возможности лабораторий CCP в их исследованиях во всех областях. Примеры включают применение экранов CRISPR, особенно Perturb-seq, и проект по клеточной характеристике типов клеток крови. Поскольку KCO теперь обратился к изучению цепей на уровне интегрированных тканей, а не отдельных клеток, он остается ключевым центром активности и перекрестного оплодотворения с CCP.
Новое исследование появления первых сложных клеток бросает вызов ортодоксальности
Митохондрии — это энергетические центры в эукариотических клетках. Одна популярная гипотеза утверждает, что эти органеллы были предпосылкой перехода от более простых прокариот, таких как бактерии и археи, к более крупным и сложным эукариотическим организмам. Новое исследование ставит под сомнение это предположение. Кредит: Джейсон ДрисВначале была скука. После появления клеточной жизни на Земле около 3,5 миллиардов лет назад на планете преобладали простые клетки, лишенные ядра и другой детализированной внутренней структуры. С точки зрения эволюционного развития в этих так называемых прокариотических клетках — бактериях и археях — дела останутся в основном неизменными еще на миллиард с половиной лет.
Затем произошло нечто замечательное и беспрецедентное. Появился новый тип клеток, известный как эукариоты. Эукариоты развили множество сложных внутренних модулей или органелл, включая эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и митохондрии, образуя самые разнообразные типы клеток — предшественников всей последующей растительной и животной жизни на Земле. Прокариотические клетки, к которым относятся бактерии и археи, представляют собой структурно простые организмы, лишенные сложной внутренней структуры, характерной для эукариот. Все современные виды растений и животных происходят от последнего общего предка эукариот или LECA. Переход от прокариот к эукариотам остается центральной загадкой, которую биологи все еще пытаются разгадать.
Как произошел этот решающий переход, остается главной загадкой биологии.
В новом исследовании Пол Шавемейкер, исследователь из Центра биодизайна механизмов эволюции, и Серхио Муньос-Гомес, ранее работавший в Университете штата Аризона, а в настоящее время исследователь в Университете Париж-Сакле, Орсе, Франция, смотрят свежим взглядом в загадке возникновения эукариот.
Их исследование, опубликованное в текущем выпуске журнала Nature Ecology & Evolution бросает вызов популярному сценарию, выдвинутому для объяснения появления первых эукариотических организмов.
Исследователи подробно изучают энергетические потребности эукариотических клеток, которые в среднем крупнее и сложнее по сравнению с прокариотами. Их количественные результаты противоречат господствующей догме, впервые выдвинутой биологами Ником Лейном и Биллом Мартином.
От Бытия до Откровения
Основная идея Лейна и Мартина состоит в том, что судьба клетки в процессе развития определяется запасом энергии. Простые прокариоты в основном маленькие и состоят из отдельных клеток или небольших колоний и могут существовать за счет более ограниченных запасов энергии для обеспечения своей деятельности. Но как только клетка достигает достаточного размера и сложности, она в конце концов достигает барьера, за который такие прокариоты пройти не могут. Или так в теории.
Согласно этой идее, единственное событие в истории Земли привело к внезапному появлению эукариот, которые затем росли и диверсифицировались, чтобы занять все экологические ниши на планете, от подводных жерл до арктической тундры. Это обширное разнообразие произошло, когда свободно живущая прокариотическая клетка приобрела другой крошечный организм в пределах своего внутреннего пространства.
Благодаря процессу, известному как эндосимбиоз, новый резидент клетки поглощается этим протоэукариотом, снабжая его дополнительной энергией и обеспечивая его трансформацию. Эндосимбионт, который он приобрел, в конечном итоге разовьется в митохондрии — клеточные электростанции, которые можно найти только в эукариотических клетках.
Поскольку всю сложную жизнь сегодня можно проследить до одной эукариотической ветви эволюционного древа, было высказано предположение, что это случайное эндосимбиотическое событие, приобретение митохондрий, произошло один и только один раз за всю историю жизни на Земле. Эта случайность природы — вот почему мы все здесь. Без митохондрий больший объем и сложность эукариот были бы энергетически нежизнеспособны.
Не так быстро, утверждают авторы нового исследования.
Пересечение границ
Шейвмейкер отмечает, что хотя различие между прокариотами и эукариотами среди современных организмов очевидно, во время переходной фазы все было более туманно. В конце концов, все общие черты существующих эукариот будут приобретены, что даст организму, который исследователи называют LECA или последним общим предком эукариот.
Новое исследование исследует появление первых эукариот и отмечает, что вместо жесткой границы, отделяющей их от их прокариотических предков, истинная картина более беспорядочна. Вместо непреодолимой пропасти между прокариотами и эукариотами с точки зрения внутренней сложности объема клетки и количества генов две клеточные формы имели значительное перекрытие.
Исследователи исследуют ряд типов прокариотических и эукариотических клеток, чтобы определить: а) как объем клетки у прокариот может в конечном итоге ограничивать площадь поверхности клеточной мембраны, необходимую для дыхания, б) сколько энергии клетка должна направить на активность ДНК на основе устройство его генома и в) затраты и преимущества эндосимбионтов для клеток различного объема.
Оказывается, клетки могут разрастаться до значительных размеров и приобретать хотя бы некоторые характеристики сложных клеток, оставаясь преимущественно прокариотическими по своему характеру и без наличия митохондрий.
Митохондрии являются источниками энергии в эукариотических клетках. Одна популярная гипотеза утверждает, что эти органеллы были предпосылкой перехода от более простых прокариот, таких как бактерии и археи, к более крупным и сложным эукариотическим организмам. Новое исследование ставит под сомнение это предположение. Графика Джейсона Дриса
Возрастающие потребности в энергии
Исследователи изучили, как респираторные потребности клетки, измеряемые количеством молекул АТФ-синтазы, доступных для снабжения АТФ энергией для роста и поддержания клеток, зависят от объема клетки. Они также описывают, как потребность в энергии зависит от площади поверхности клетки, опираясь на данные Линча и Маринова.
«На самом деле мы посмотрели на площадь поверхности клетки и обнаружили, что количество АТФ-синтаз увеличивается быстрее, чем клеточная мембрана», — говорит Шавмейкер. «Это означает, что в какой-то момент увеличения размера клетки будет предел объема, при котором АТФ-синтазы не смогут обеспечить достаточное количество АТФ для деления клетки с определенной скоростью». Эукариоты преодолевают этот барьер за счет дополнительной площади дыхательной поверхности, обеспечиваемой внутренними мембранными структурами, такими как митохондрии.
Интересно, что этот предел объема клетки не возникает на границе прокариот и эукариот, как предсказывает предыдущая теория. Вместо этого «это происходит в гораздо больших объемах клеток, около 103 кубических микрон, что охватывает множество существующих эукариот. И это заставило нас думать, что митохондрии, вероятно, не были абсолютно необходимы. этот переход к большим объемам», — говорит Шавмейкер.
Нечто подобное происходит при сравнении расположения генов у прокариот и эукариот. Говорят, что архитектура генома прокариот симметрична и состоит из кольцевой двухцепочечной ДНК. Многие бактерии содержат несколько копий своего генома на клетку.
Но у эукариот другая архитектура генома, известная как асимметричная. Ключевое преимущество расположения эукариотического генома в том, что им не нужно поддерживать копии генома по всей клетке, как прокариотам. Для большинства генов эукариоты могут поддерживать одну или две копии в ядре; лишь небольшое количество генов присутствует во многих копиях митохондриального генома, разбросанных по всей клетке.
Напротив, крупные бактерии имеют много копий всего своего генома, причем каждый геном содержит копию каждого гена, присутствующего во всей клетке. Это различие позволило эукариотам значительно увеличиться в размерах, не сталкиваясь с теми же энергетическими ограничениями, что и прокариоты. Но в очередной раз исследователи наблюдали значительное совпадение количества генов прокариот и эукариот, предполагая, что прокариоты могут расширять число своих генов в область, обычно связанную с более крупными эукариотами, до тех пор, пока они не достигнут критического порога, за которым их геномная симметрия становится ограничивающим фактором. .
Новый взгляд на LECA
Новая картина ранней эволюции эукариот обеспечивает правдоподобную альтернативу парадигме митохондрий. Вместо того, чтобы эволюция открыла век эукариот одним грандиозным жестом — случайным приобретением митохондриального прототипа, серия предварительных, постепенных, ступенчатых изменений в течение огромных промежутков времени в конечном итоге привела к созданию сложных клеток, наполненных сложными внутренними структурами и способных к взрывной диверсификации. .
Более раннее исследование Линча и Маринова, цитируемое в новом исследовании, придерживается несколько более радикальной точки зрения, подразумевая, что митохондрии приносили мало пользы ранним эукариотам, если вообще имели. Новое исследование занимает более умеренную позицию, предполагая, что помимо критического объема клетки, митохондрии и, возможно, другие особенности современных эукариотических клеток были бы необходимы для удовлетворения энергетических потребностей больших клеток, но ряд более мелких протоэукариот, возможно, обошлось просто отлично без этих нововведений.
Следовательно, переходу к таинственному событию LECA могло предшествовать появление ряда организмов, которые изначально могли быть без митохондрий.
Новое исследование также ставит под сомнение время эукариотического перехода. Возможно, великий переход начался с развития эукариотического цитоскелета или другой развитой структуры. Внутренние митохондрии с их дополнительным клеточным геномом могли начаться, когда меньший прокариот был поглощен более крупным в результате процесса, известного как фагоцитоз, или, возможно, митохондрии вторглись в первый прокариот как паразит. Потребуется гораздо больше исследований, чтобы с уверенностью расположить ряд событий, ведущих к появлению полноценных эукариот, в их правильной последовательности.
«Мы не знаем, какие достижения появились первыми», — говорит Шейвмейкер. «Вы можете представить ряд организмов, которые сначала начали с эндомембран и внутренних пузырьков. Затем они развили из этого ER, который осуществляет обработку мембранных белков, и из этого вы получаете ядро».