Услышать каждую клетку: ученые "Сириуса" расширили российскую базу регуляции генов
Исследователи Научно-технологического университета "Сириус" интегрировали в базу GTRD данные секвенирования открытого хроматина на уровне отдельных клеток. Новое направление позволит точнее изучать, какие участки генома активны в разных клеточных типах и как именно регулируется работа генов.
GTRD считается крупнейшим российским хранилищем информации о регуляции транскрипции. База развивается с 2012 года и объединяет результаты исследований, посвященных взаимодействию ДНК с белками, управляющими активностью генов. В ней собраны сведения по десяти модельным организмам, включая человека, мышь и растение Arabidopsis thaliana - резуховидку Таля.
Хранилище используется для анализа механизмов регуляции генов, а также при создании и обновлении международных научных ресурсов, в том числе HOCOMOCO и ADASTRA. До недавнего времени в GTRD уже были представлены результаты нескольких методов секвенирования - ChIP-seq, RNA-seq и ATAC-seq. Теперь коллекция дополнена данными scATAC-seq, полученными при исследовании отдельных клеток.
Почему важен анализ одиночных клеток
Обычный анализ клеточной популяции показывает усредненную картину. Если в образце присутствуют разные типы клеток, особенности каждой из них могут теряться за общим результатом. Секвенирование одиночных клеток позволяет избежать такого усреднения и рассматривать геномную активность значительно точнее.
Метод scATAC-seq помогает определить, какие участки хроматина находятся в открытом состоянии в конкретной клетке. Именно доступность этих участков во многом определяет, могут ли транскрипционные факторы связаться с ДНК и запустить или изменить работу определенных генов.
Благодаря такой технологии ученые получают возможность сравнивать эпигенетические профили различных клеточных типов, находить характерные участки регуляции и отслеживать различия между клетками одного и того же организма. Это особенно важно для исследований опухолей, иммунной системы, развития тканей и механизмов наследственных заболеваний.
В рамках проекта специалисты "Сириуса" собрали, проверили и привели к единому стандарту метаданные более чем 4600 экспериментов scATAC-seq. Эти исследования охватывают семь видов организмов. В результате в GTRD впервые появился систематизированный поиск и просмотр данных, полученных на уровне отдельных клеток.
Новые алгоритмы для геномного анализа
Одной из задач проекта стала разработка вычислительных методов, способных работать с большим объемом разнородной информации. Алгоритмы позволяют точнее предсказывать участки открытого хроматина и возможные сайты связывания транскрипционных факторов.
Кроме того, программные решения упрощают добавление новых экспериментов в уже существующую структуру GTRD. Это особенно важно для базы, которая регулярно пополняется результатами исследований, выполненных на разных платформах, в лабораториях и с использованием отличающихся протоколов.
Стандартизация метаданных делает результаты более сопоставимыми. Исследователь может быстрее понять, из какого организма и типа клеток получен материал, каким методом проводился эксперимент и какие условия были использованы. Такой подход снижает риск ошибок при сравнении данных и облегчает повторную проверку научных выводов.
Руководитель проекта, доцент направления "Вычислительная биология" Научного центра генетики и наук о жизни Университета "Сириус" Семен Колмыков отметил, что расширение GTRD создает более полную основу для проверки гипотез в биомедицинских исследованиях.
Значение для медицины и фундаментальной науки
Регуляция генов зависит не только от последовательности ДНК. Большую роль играют состояние хроматина, активность транскрипционных факторов и особенности конкретной клетки. Поэтому данные scATAC-seq могут использоваться для изучения того, почему одинаковый геном в разных клетках приводит к совершенно разным функциям.
Перспективным направлением является исследование онкологических заболеваний. Опухоль часто состоит из нескольких популяций клеток, которые отличаются чувствительностью к терапии и способностью к дальнейшему росту. Анализ открытого хроматина помогает выявить такие различия и найти регуляторные механизмы, связанные с устойчивостью к лечению.
Технология также востребована в иммунологии. С ее помощью можно изучать, как клетки иммунной системы переходят из одного состояния в другое, какие регуляторные участки активируются при воспалении и почему у разных пациентов формируется неодинаковый ответ на инфекцию или лекарственный препарат.
Еще одна область применения - персонализированная медицина. Чем точнее исследователи понимают молекулярные особенности клеток конкретного человека, тем больше возможностей для подбора терапии с учетом индивидуальных характеристик заболевания.
Интеграция scATAC-seq в GTRD важна и для развития эпигенетики. Она объединяет данные о доступности хроматина с другими типами геномной информации, позволяя комплексно изучать взаимосвязь между активностью генов, строением ДНК и работой регуляторных белков.
В проекте участвовали магистранты и аспиранты направления "Вычислительная биология". Их работа включала обработку массивов данных, контроль качества, описание экспериментов и подготовку инструментов для дальнейшего использования базы.
Обновленная GTRD станет полезным инструментом для исследователей, занимающихся геномикой, эпигенетикой, биоинформатикой и трансляционной медициной. Ученые смогут не только находить нужные эксперименты, но и сопоставлять данные по разным организмам и клеточным типам.
Дальнейшее развитие базы предполагает регулярное добавление новых наборов данных и совершенствование методов их анализа. По мере роста объема информации особое значение будут приобретать автоматическая проверка качества, единые стандарты описания экспериментов и удобные средства визуализации.
Таким образом, включение данных scATAC-seq стало важным этапом развития GTRD. База получила возможность отражать регуляцию генов не только на уровне целых тканей или клеточных популяций, но и с точностью до отдельной клетки. Это расширяет возможности фундаментальных исследований и создает дополнительную основу для поиска новых диагностических и терапевтических подходов.
