211service.com
Cellernas kartograf
Aviv Regev hjälpte banbrytande encellig genomik. Nu leder hon ett enormt arbete för att kartlägga biljonerna celler i människokroppen. Biologi kommer aldrig att bli sig lik. 22 augusti 2018
I oktober förra året talade Aviv Regev för en samling internationella forskare vid Israels Weizmann Institute of Science. För Regev, en beräknings- och systembiolog vid Broad Institute of MIT och Harvard, var sammankomsten också en slags hemkomst. Regev tog sin doktorsexamen från det närliggande Tel Aviv University 2002. Nu, 15 år senare, var hon tillbaka för att diskutera ett av de mest ambitiösa projekten i biologins historia.
Projektet, Human Cell Atlas, syftar till att skapa en referenskarta som kategoriserar alla de cirka 37 biljoner celler som utgör en människa. The Human Cell Atlas jämförs ofta med Human Genome Project, det monumentala vetenskapliga samarbetet som gav oss en fullständig avläsning av mänskligt DNA, eller vad som kan anses vara den oförkortade kokboken för mänskligt liv. På sätt och vis är atlasen en fortsättning på det projektets arbete. Men medan samma DNA-kokbok finns i varje cell, läser varje celltyp bara några av recepten - det vill säga den uttrycker bara vissa gener, efter deras DNA-instruktioner för att producera de proteiner som utför en cells aktiviteter. Löftet från Human Cell Atlas är att avslöja vilka specifika gener som uttrycks i varje celltyp, och var cellerna som uttrycker dessa gener kan hittas.
När hon pratade med sina kollegor vid mötet i Israel, visade Regev, som är ordförande för Human Cell Atlas Organisation Committee tillsammans med Sarah Teichmann från Wellcome Trust Sanger Institute, det no-nonsense uppträdande man kan förvänta sig av någon vid rodret för ett massivt vetenskapligt företag . Projektet hade pågått i ett år och Regev, en biologiprofessor vid MIT som också är ordförande för fakulteten vid Broad och chef för dess Klarman Cell Observatory and Cell Circuits Program, granskade en nyligen publicerad vitbok som beskriver hur människan Cell Atlas förväntas förändra sättet vi diagnostiserar, övervakar och behandlar sjukdomar.
När Regev tog sig igenom vitboken började möjligheterna verka nästan oändliga. På den mest grundläggande nivån, som en referenskarta som beskriver generna som uttrycks av varje olika typ av frisk cell, kommer Human Cell Atlas att göra det lättare att identifiera hur genuttryck och signalering går snett i fallet med sjukdom. Samma karta kan också hjälpa läkemedelsutvecklare att undvika toxiska biverkningar: forskare som riktar in sig på en gen som är skadlig i en del av kroppen skulle veta om samma gen spelar en viktig roll i en annan. Och eftersom atlasen förväntas avslöja många nya typer av celler, kan den också lägga till mycket mer känslighet för en typ av standardblodprov, som helt enkelt räknar olika undergrupper av immunceller. På samma sätt kan titta på individuella tarmceller ge nya insikter om de specifika celler som är ansvariga för inflammation och matallergier. Och en bättre förståelse för typer av neuroner kan få långtgående konsekvenser för hjärnvetenskapen.
En bild av musens retinala celler, inklusive en ny typ som hennes labb identifierade - en hybrid av två tidigare kända typer. Med tillstånd av Irene Whitney
Den slutliga produkten, säger Regev, kommer att uppgå till inget mindre än ett periodiskt system över våra celler, ett verktyg som är utformat för att inte svara på en specifik fråga utan för att göra otaliga nya upptäckter möjliga. Eric Lander, grundare och ordförande för Broad Institute och medlem av Human Cell Atlas Organizing Committee, liknar det med genomik. Folk trodde i början att de kunde använda genomik för den här applikationen eller den applikationen, säger han. Ingenting har misslyckats med att transformeras av genomik, och ingenting kommer att misslyckas med att transformeras genom att ha en cellatlas.
Cellulära kretsar
Regevs intresse för celler började vid Tel Avivs universitet, där hon var en av bara 15 eller så anmälda studenter i ett mycket selektivt program som gav dem friheten att ta högnivåkurser i vilket ämne som helst. Du kan gå din första dag som förstaårsstudent och bestämma dig för att ta en forskarutbildning i statsvetenskap, säger hon.
Regev gick en genetiklektion sin första termin och fastnade för den beräkningsmässiga utmaningen att hitta ordning i de komplexa, sammankopplade nätverken av proteiner och gener inom varje cell. Hon fortsatte med det ämnet för sitt doktorandarbete och karakteriserade levande system i ett matematiskt språk som hade utformats för att beskriva datorprocesser. När hon avslutade sin doktorsexamen 2002 antogs hon till ett program vid Harvards Bauer Center for Genomics Research som gjorde det möjligt för henne att starta sitt eget labb utan att först utbilda sig till postdoc.
Inte långt efter, letade Lander, som hade börjat sin egen karriär som matematiker efter att ha studerat algebraisk kodningsteori och kombinatorisk matematik i Oxford, efter stjärntalang för det nyskapade Broad Institute, vars uppdrag är att använda genomik för att studera mänskliga sjukdomar och hjälpa till att främja behandlingen. Han träffade Regev för första gången vid en lunch på Bauer Center under vilken stipendiaten turades om att tala om sin forskning i fem till tio minuter. När vi kom hela vägen runt bordet hade jag skrivit ner 'Hire Aviv Regev', minns han.
Övertygad av Lander att gå med i Broad efter många koppar te på Cafe Algiers på Harvard Square, fortsatte Regev att tillämpa beräkningsmetoder för att studera cellens förbluffande komplicerade maskineri. En enda cell består av miljontals molekyler som är i konstant konversation när de arbetar tillsammans för att göra allt som cellerna behöver göra: dela sig, växa, reparera inre skador och, när det gäller immunceller, signalera andra celler om hot. Inuti kärnan transkriberas DNA:t till RNA. Det i sin tur ger upphov till proteiner, de molekyler som gör jobbet inuti en cell. Under tiden tar proteiner på cellens yta ständigt emot molekylära meddelanden utifrån – glukos är tillgängligt, en inkräktare har anlänt. Dessa måste föras tillbaka till proteiner i kärnan, som kommer att svara genom att transkribera annat DNA, vilket ger upphov till nya proteiner och ännu fler signalnätverk.
Varje cell är ett experiment.
Buck Squibb
Det är som en komplex dator som är gjord av så många, många olika delar som interagerar med varandra och talar om för varandra vad de ska göra, säger Regev. Proteinsignalnätverken är som kretsar - och du kan tänka på cellen nästan som ett kopplingsschema, säger hon. Men att använda beräkningsmetoder för att förstå deras aktivitet kräver först insamling av en enorm mängd data, vilket Regev länge har gjort genom RNA-sekvensering. Till skillnad från DNA-sekvensering, säger hon, kan den berätta för henne vilka gener som faktiskt uttrycks, så det ger en mycket mer dynamisk bild av en cell i aktion. Men att helt enkelt sekvensera RNA:t från cellerna hon studerar kan bara berätta så mycket för henne. För att förstå hur kretsarna förändras under olika omständigheter utsätter Regev celler för olika stimuli, såsom hormoner eller patogener, för att se hur de resulterande proteinsignalerna förändras.
Därefter kommer vad hon kallar modelleringssteget – att skapa algoritmer som försöker dechiffrera den mest sannolika sekvensen av molekylära händelser efter en stimulans. Och precis som någon kanske studerar en dator genom att klippa ut kretsar och se hur det förändrar maskinens funktion, testar Regev sin modell genom att se om den kan förutsäga vad som kommer att hända när hon tystar specifika gener och sedan utsätter cellerna för samma stimulans.
I en studie från 2009 undersökte Regev och hennes team hur exponering för molekylära komponenter av patogener som bakterier, virus eller svampar påverkade kretsloppet i immunsystemets dendritiska celler. Hon vände sig till en teknik som kallas RNA-interferens (hon använder nu CRISPR), som gjorde det möjligt för henne att systematiskt stänga av gener. Sedan tittade hon på vilka gener som uttrycktes för att avgöra hur cellernas svar förändrades i varje fall. Hennes team pekade ut 100 olika gener som var involverade i att reglera svaret på patogenerna - av vilka några tidigare inte var kända för att vara involverade i immunfunktionen. Studien, publicerad i Vetenskap , genererade rubriker. Men enligt mångårig kollega Dana Pe'er, nu ordförande för beräknings- och systembiologi vid Sloan Kettering Institute vid Memorial Sloan Kettering Cancer Center och medlem i Human Cell Atlas Organizing Committee, är det som verkligen skiljer Regev från hennes elegans. arbete. Regev, säger Pe’er, har en sällsynt, medfödd förmåga att se komplex biologi och förenkla den och formalisera den till vackra, abstrakta, beskrivbara principer.
Från smoothies till fruktsallad
Det finns massor av tomma kaffemuggar på Regevs kontor på Broad Institute, men väldigt lite i form av dekoration. Hon närmar sig sin vetenskap med en affärsmässig effektivitet. Det finns många lysande människor, säger Lander. Hon är en briljant person som kan få saker gjorda.
Inom genomikens snabbt föränderliga arena (2015 inom mitt område anses vara urgammal historia, säger hon), är hon känd för att göra det bästa av de senaste innovationerna – och för att hjälpa till att sporra nästa. I åratal kämpade hon och andra på området med en smutsig hemlighet med RNA-sekvensering: även om dess löfte alltid har varit precision – kraften i att känna till den exakta koden – gav teknikerna resultat som var ospecifika. Varje cell har bara en minimal mängd RNA. För sekvenseringsändamål måste RNA från miljontals celler slås samman. Bulk RNA-sekvensering lämnade forskare med vad hon liknar vid en smoothie. När det väl har blandats ihop finns det inget sätt att skilja alla frukter - eller i det här fallet RNA från enskilda celler - som gick in i den. Vad forskarna behövde var något mer som en fruktsallad, ett sätt att separera alla blåbär, hallon och björnbär.
Under 2011, i samarbete med Broad Institute-kollegan Joshua Levin, PhD '92, och postdoktorerna Alex Shalek, nu vid MIT:s Institute for Medical Engineering and Science, och Rahul Satija, nu vid New York Genome Center, lyckades Regev få tillräckligt med RNA från en en cell för att sekvensera den. För att testa metoden sekvenserade de 18 individuella dendritiska celler från benmärgen på en mus. Cellerna erhölls alla på samma sätt och förväntades vara av samma typ. Men till forskarnas förvåning uttryckte de olika gener och kunde klassificeras i två distinkta undertyper. Det var som att ta reda på att smoothien du druckit i flera år hade ingredienser du aldrig hade känt till.
Regev och hennes kollegor var inte de enda som kom på hur man sekvenserade en enda cell med sådan känslighet, och de var inte heller de allra första som lyckades. Andra labb gjorde liknande framsteg ungefär samtidigt, var och en med sin egen teknik och algoritmer. Och de stod alla inför samma problem: att isolera och extrahera tillräckligt med RNA från enskilda celler var tidskrävande och dyrt. Regev och hennes kollegor hade spenderat många tusen dollar för att sekvensera endast 18 celler. Om kroppen var full av sällsynta, oupptäckta celler, skulle det ta utomordentligt lång tid att hitta dem.
Regevs team karakteriserade heltäckande stav-bipolära celler (krickgrönt) och kon-bipolära celler (orange) i musens näthinna med hjälp av Drop-Seq, en teknik som de hjälpte till att uppfinna. Med tillstånd av Irene Whitney
Hoppa framåt sju år och kostnaden för encellig RNA-sekvensering är nere på bara ören per cell. Ett avgörande genombrott var Drop-Seq, en ny teknik utvecklad av forskare vid Harvard och Broad Institute, inklusive Regev och medlemmar av hennes labb. Enheten bäddar in individuella celler i distinkta oljedroppar med en liten streckkodad pärla. När cellen bryts isär för sekvensering, fäster en del av dess RNA till pärlan i dess droppe. Detta gör att forskare kan analysera tusentals på en gång utan att blanda ihop deras genetiska material.
Cellteori 2.0
När cellteori först föreslogs av tyska forskare för cirka 180 år sedan, var det svårt att förstå att våra vävnader är uppbyggda av individuella elementära enheter, som Theodor Schwann, en av de två vetenskapsmän som tillskrivs teorin, beskrev celler. Men det blev snart en central grundsats inom biologin, och under decennierna och århundradena började celler ge upp sina hemligheter. Mikroskop förbättrade; nya färgnings- och sorteringstekniker blev tillgängliga. Med varje framsteg blev nya distinktioner möjliga. Muskelceller kunde särskiljas från neuroner och sedan kategoriseras igen som glatta eller skelettmuskelceller. Celler, blev det tydligt, var alla i grunden lika men kom i olika former som hade olika egenskaper.
På 2000-talet hade 200 till 300 huvudcelltyper identifierats. Och medan biologer länge har insett att det verkliga antalet celltyper måste vara högre, kommer omfattningen av deras mångfald först nu i full fokus, till stor del tack vare encellig RNA-sekvensering. Regev säger att bara immunsystemet nu kan delas in i mer än 200 celltyper och att även våra näthinnor har 100 eller fler distinkta typer av neuroner. Hon och hennes kollegor har upptäckt flera av dem.
Tanken att veta så mycket mer om våra celler kan leda till medicinska genombrott är inte längre hypotetisk. Genom att sekvensera individuella cancercellers RNA under de senaste åren – varje cell är ett experiment nu, säger hon – har hon funnit anmärkningsvärda skillnader mellan cellerna i en enda tumör, även när de har samma mutationer. (Förra året ledde det arbetet till Memorial Sloan Kettering's Paul Marks pris för cancerforskning .) Hon fann att medan vissa cancerformer anses utveckla resistens mot terapi, var en undergrupp av melanomceller resistenta från början. Och hon upptäckte att två typer av hjärncancer, oligodendrogliom och astrocytom, innehåller samma cancerstamceller, vilket kan ha viktiga konsekvenser för hur de behandlas.
Hur har vi någonsin föreställt oss att vi skulle lösa ett problem utan encellsupplösning?
Regev har också varit upptagen med att kartlägga celler från immunförsvaret, hjärnan, tarmen och på andra håll. Hon är inte ensam. Andra labb har startat sina egna kartläggningsprojekt, som var och en tar itu med olika delar av kroppen. Förra året försökte forskare vid University of Washington klassificera varje celltyp i den mikroskopiska masken C. elegans . Varje enskilt fält inom biologi säger: 'Självklart måste vi titta på encellsupplösning', säger Lander. Hur har vi någonsin föreställt oss att vi skulle lösa ett problem utan encellsupplösning?
Spänningen i fältet har blivit påtaglig i takt med att fler nya celltyper har hittats. Och ändå insåg Regev att om syftet var heltäckande kunskap så behövde tillvägagångssättet koordineras. Om varje labb skulle förlita sig på sina egna tekniker skulle det vara svårt att standardisera beräkningsverktygen och de resulterande data. De nya studierna producerade mycket fina ljusglimt, säger Regev - en sak här, en sak där. Men hon ville se till att dessa fynd kunde kopplas ihop.
Regev började förespråka att skapa något mer enhetligt: en karta som skulle göra det möjligt för forskare att kartlägga genuttryck och celltyper över hela kroppen. Sarah Teichmann hade tänkt i samma banor. När hon i slutet av 2015 hörde av sig till Regev om möjligheten att slå sig samman sa Regev genast ja.
En Google Maps för våra celler
Human Cell Atlas är ett samarbete mellan hundratals biologer, teknologer och mjukvaruingenjörer över hela världen. Resultat från encellig RNA-sekvensering kommer att kombineras med andra datapunkter för att ge en heltäckande katalog över alla mänskliga celler.
Men de många inblandade forskarna kommer inte bara att sammanställa kalkylblad som listar olika celltyper. Atlasen kommer också att avslöja var cellerna finns i kroppen, hur många det finns, vilka former de kan ta, till och med utvecklingshistoriken för olika celltyper när de skiljer sig från stamceller. Och allt detta kommer att göras tillgängligt genom en datakoordineringsplattform och ett rikt visuellt gränssnitt som Regev jämför med Google Maps. Det kommer att tillåta användare att zooma in på molekylnivån i våra celler, men att zooma ut till nivån av vävnader och organ kommer också att vara viktigt. Som en 2017 års översikt av Human Cell Atlas av projektets organisationskommitté noterade, är en atlas en karta som syftar till att visa relationerna mellan dess element. Precis som motsvarande kustlinjer som ses i en atlas över jorden ger visuella bevis på kontinentaldrift, kan en sammanställning av all data om våra celler på ett ställe avslöja relationer mellan celler, vävnader och organ, inklusive några som är helt oväntade. Och precis som det periodiska systemet gjorde det möjligt att förutsäga existensen av element som ännu inte har observerats, kan Human Cell Atlas, säger Regev, hjälpa oss att förutsäga existensen av celler som inte har hittats.
Ciliärkroppen (överst till vänster) vid kanten av en musnäthinna (överst till höger) kan vara en ingångspunkt för immunceller som svarar på en neuronal skada i näthinnan. Med tillstånd av Irene Whitney och Grace Burgin
Planen är inte att sekvensera alla 37 biljoner celler utan att ta prover från varje del av kroppen. Medan Regev berättar om projektet, hennes entusiasm är tydlig, gräver hon upp en bild för att visa hur effektiv provtagning kan vara. Bilden, först bara en tom ram av vitt, börjar fyllas i, pixel för pixel, med prickar av blått och gult. Snart, även om många av pixlarna ännu inte har fyllts, är bilden på skärmen omisskännlig: det är Van Goghs Stjärnklar natt . På samma sätt, förklarar Regev, kan Human Cell Atlas ge en komplett bild även om inte varje enskild cell har sekvenserats.
För att göra sekvenseringen har Regev och Teichmann välkomnat och rekryterat experter inom varje vävnadstyp. Även om det förväntas ta år, går projektet snabbt framåt med sådana som stöder NIH, EU, Wellcome Trust, Manton Foundation och Chan Zuckerbergs initiativ , som lovade att spendera 3 miljarder dollar för att bekämpa sjukdomar under det kommande decenniet; Bara i år kommer det att finansiera 85 Human Cell Atlas-anslag. Tidiga resultat strömmar redan in. I mars meddelade svenska forskare som arbetar med celler relaterade till mänsklig utveckling att de hade sekvenserat 250 000 individuella celler. I maj gjorde ett team på Broad en datauppsättning med mer än 500 000 immunceller tillgängliga på en förhandsgranskningssajt. Målet, säger Regev, är att forskare överallt ska kunna använda open source-plattformen Human Cell Atlas för att utföra gemensamma analyser.
Det återstår många utmaningar innan atlasen kan bli verklighet. Ny visualiseringsprogramvara måste utvecklas. Sekvenserings- och beräkningsmetoder kommer att behöva standardiseras över ett stort antal labb. Konceptuella frågor, som vad som skiljer en celltyp från en annan, måste arbetas igenom. Men samhället bakom Human Cell Atlas – inklusive mer än 800 individer i juni – har ingen brist på motivation.
En av Regevs egna nya studier, publicerad i augusti i Natur , är kanske det bästa exemplet på hur projektet skulle kunna förändra biologin. Vid kartläggning av celler i lungorna hittade Regev och Jay Rajagopals labb vid Massachusetts General Hospital en ny, mycket sällsynt celltyp som i första hand uttrycker en gen kopplad till cystisk fibros. Regev tror nu att dessa sällsynta celler förmodligen spelar en nyckelroll i sjukdomen. Ännu mer överraskande hade forskare tidigare trott att en annan celltyp uttryckte genen.
Tänk om någon ville göra genterapi, säger Regev. Du måste fixa genen, men du måste fixa den i rätt cell. Human Cell Atlas kan hjälpa forskare att identifiera rätt cell och förstå hur genen i fråga regleras av den cellens utomordentligt komplicerade molekylära nätverk.
För Regev går vikten av Human Cell Atlas utöver dess löfte att revolutionera biologi och medicin. Som hon en gång uttryckte det, utan en atlas över våra celler, vet vi inte riktigt vad vi är gjorda av.