Сетчатка — это динамическая ткань глаза, состоящая из множества различных типов клеток. Ученые из Детской исследовательской больницы Св. Иуды использовали методы секвенирования отдельных клеток для изучения клеток сетчатки, называемых глией Мюллера, показав, что эти клетки обладают уникальным набором «генов пластичности», которые открыты и доступны для механизмов экспрессии генов, не будучи экспрессированными.

Работа также показала, что эти гены пластичности позволяют глии Мюллера быстро вызывать воспалительный иммунный ответ в стрессовых условиях. Понимание того, как воспаление запускается в сетчатке, может помочь в разработке будущих терапевтических средств. Работа была опубликована в Developmental Cell .

Гены содержат инструкции о том, как создавать белки, которые используются в организме для выполнения различных функций. Гены, содержащие ДНК, размещены в хроматине, который может быть открыт или закрыт, чтобы обеспечить доступ к этим инструкциям.

В процессе развития ретинальные клетки-предшественники, предшественники всех различных типов клеток, обнаруженных в сетчатке, жестко регулируют то, как хроматин открывается и закрывается, чтобы гарантировать экспрессию генов, необходимых для функционирования клеток. По мере дифференциации ретинальных клеток гены, необходимые для быстрого роста, выключаются и упаковываются внутри хроматина.

Однако команда St. Jude наблюдала открытые области хроматина в клетках глии Мюллера, хотя гены вдоль этой открытой последовательности ДНК не экспрессируются. Исследователи назвали эти готовые, но ожидающие гены генами пластичности, поскольку они дают глии Мюллера большую гибкость для реализации скрытого эпигенетического программирования, которое позволяет им быстро реагировать на стресс.

«Если клетка подвергается стрессу, она может иметь очень ограниченную способность реагировать, если у нее нет доступа к соответствующим генам из-за закрытого хроматина», — пояснила первый автор Джеки Норри, доктор философии, ученый из отделения нейробиологии развития больницы Св. Иуды.

«Вот почему для сетчатки благоприятно иметь такой тип клеток, как мюллеровская глия, которая имеет эти преднамеренные участки открытого хроматина и, следовательно, большую способность получать доступ к генам, необходимым для быстрой реакции на стресс, и включать их».

Проливая свет на организацию генома
Для своего анализа исследователи использовали микроскопию решетчатого светового листа (LLS). По сравнению с другими методами микроскопии, использующими жесткий луч света, LLS использует узорчатый лист света, что означает, что клетки не испытывают тех же стрессов (фототоксичности), которые могут вызывать световые лучи, и может обеспечить более точные результаты. Этот метод также позволяет исследователям смотреть на клетки под другим углом, обеспечивая равномерный вид со всех сторон.

Исследователи обнаружили заметные различия в том, как разные типы клеток сетчатки организуют свой геном.

«Хотя все клетки вашего тела имеют одну и ту же базовую карту, одни и те же базовые генетические инструкции, клетка может организовать весь свой геном очень специфическим образом на основе своей идентичности и работы, которую она должна выполнять», — говорит автор статьи Мэрибет Лупо, доктор философии, научный сотрудник кафедры нейробиологии развития больницы Св. Иуды.

Это позволило исследователям использовать расположение ДНК в клетках для определения типа клеток, подготовив почву для работы по пониманию того, как и почему возникают эти различия в архитектуре генома.

Анализ отдельных клеток раскрывает закономерности экспрессии генов глии Мюллера
Исследователи объединили свою работу по микроскопии с секвенированием отдельных клеток. При оценке образцов сетчатки доминирующий тип клеток в сетчатке (палочки) подавляет сигнализацию экспрессии генов и затрудняет анализы. Секвенирование отдельных клеток, такое как RNA-seq и ATAC-seq, позволяет исследователям изучать экспрессию генов в определенных типах клеток, чтобы лучше понять, как сетчатка ведет себя, взаимодействует и реагирует на стресс.

«Методы анализа отдельных клеток являются революционными, поскольку они помогают нам полностью понять, как ведут себя различные популяции клеток в процессе развития и в условиях стресса, например, травмы или заболевания», — сказал соавтор Майкл Дайер, доктор философии, заведующий кафедрой нейробиологии развития больницы Св. Иуды.

«Мы проделали большую работу, изучая гетерогенность клеточной ткани, и очевидно, что использование этих методов позволяет нам понять программирование, которое управляет реакцией отдельных популяций клеток, которая может быть размыта в объемных образцах».

Глия Мюллера выполняет различные важные функции в сетчатке, помогая поддерживать гомеостаз сетчатки. Чтобы понять, что делают гены пластичности, обнаруженные в глии Мюллера, исследователи подвергли образцы клеток сетчатки различным формам стресса.

Понимание роли глии Мюллера в воспалительной реакции
Исследователи подвергли свои образцы сетчатки 15 различным смоделированным стрессовым условиям, имитирующим болезнь или травму, таким как нагревание или охлаждение образцов для имитации условий лихорадки или гипотермии, добавление глюкозы для имитации диабетической ретинопатии или введение дрожжей для запуска ретинита. Кроме того, исследователи воспроизводили условия, связанные с глазными инфекциями (ведущая причина слепоты во всем мире) и эксайтотоксичностью, среди прочих.

Транскрипционный анализ, необходимый для интерпретации данных, стал возможен благодаря сотрудничеству с учеными-вычислителями. «Объединение вычислительных подходов с лабораторными работами позволяет нам использовать комплексный подход», — сказала соавтор Даниэль Литтл, доктор философии, научный сотрудник в Dyer Lab.

«Используя три различных вычислительных инструмента, мы смогли идентифицировать различные группы генов, связанных друг с другом и совместно разделяющихся по всему набору данных. Именно так мы смогли идентифицировать факторы транскрипции , которые являются ключевыми регуляторами реакции клетки на стресс», — добавила она.

Многие гены, экспрессируемые в ответ на различные стрессы, были вовлечены в воспаление, стандартную реакцию на болезнь или травму. Когда сетчатка подвергается стрессу, мюллеровская глия может быстро экспрессировать сигналы своих генов податливости через цитокины, чтобы вызвать воспалительный иммунный ответ. Воспаление способствует многим заболеваниям сетчатки, что делает это новое понимание того, как запускается воспаление, важным для разработки будущих подходов к лечению.

«Используя методы анализа отдельных клеток, мы показали, что уникальный открытый хроматин глиальных клеток Мюллера дает им возможность быстро реагировать на стресс », — сказал Норри.

«Эта благоприятная среда для быстрой экспрессии цитокинов, которая привлекает воспалительные факторы и запускает иммунный ответ, определяет реакцию сетчатки на болезни и травмы».