Dziękuję. Posłuchaj tego artykułu, korzystając z powyższego odtwarzacza. ✖

Oprogramowanie komputerowe opracowane w Washington University School of Medicine w St. Louis może przewidywać, co dzieje się ze złożonymi sieciami genów, gdy brakuje poszczególnych genów lub są one wybierane częściej niż zwykle. Takie sieci genetyczne odgrywają kluczową rolę we wczesnym rozwoju embrionalnym, kierując komórkami macierzystymi do tworzenia określonych typów komórek, które następnie budują tkanki i narządy. Mapowanie ról pojedynczych genów w tych sieciach jest kluczem do zrozumienia zdrowego rozwoju i znalezienia sposobów na regenerację uszkodzonych komórek i tkanek. Podobnie zrozumienie błędów genetycznych może zapewnić wgląd w wady wrodzone, poronienia, a nawet raka.

Takie eksperymenty genetyczne – zwykle przeprowadzane w laboratorium na modelach zwierzęcych, takich jak myszy i danio pręgowany – od dziesięcioleci stanowią podstawę badań biologii rozwojowej. Wiele można się dowiedzieć o funkcji genu w badaniach na zwierzętach, w których brakuje genu lub występuje jego nadekspresja, ale takie eksperymenty są również kosztowne i czasochłonne.

Natomiast nowo opracowane oprogramowanie o nazwie CellOracle — opisane 8 lutego w czasopiśmie Nature — może modelować setki eksperymentów genetycznych w ciągu kilku minut, pomagając naukowcom zidentyfikować kluczowe geny, które odgrywają ważną rolę w rozwoju, ale które mogły zostać pominięte przez starszych , wolniejsze techniki. CellOracle jest open source, a kod i informacje o oprogramowaniu są dostępne pod tym linkiem.

„Społeczność naukowa zebrała wystarczająco dużo danych z eksperymentów na zwierzętach, że teraz możemy zrobić więcej niż tylko obserwować dzieje biologii – możemy budować modele komputerowe interakcji genów i przewidywać, co się stanie, gdy zabraknie jednego genu” – powiedziała starsza autorka Samantha dr A. Morris, profesor nadzwyczajny biologii rozwoju i genetyki. „I możemy to zrobić bez żadnej eksperymentalnej interwencji. Po zidentyfikowaniu ważnego genu nadal musimy przeprowadzić eksperymenty laboratoryjne, aby zweryfikować odkrycie. Ale ta metoda obliczeniowa pomaga naukowcom zawęzić wybór genów, które są najważniejsze”.

CellOracle, który został uwzględniony w najnowszym artykule dotyczącym technologii w czasopiśmie Nature, jest jednym z wielu stosunkowo nowych systemów oprogramowania zaprojektowanych do modelowania wglądu w regulację genów komórkowych. Zamiast po prostu identyfikować sieci, CellOracle jest wyjątkowy, ponieważ pozwala naukowcom przetestować, co się stanie, gdy sieć zostanie zakłócona w określony sposób.

Morris i jej zespół wykorzystali dobrze znane procesy rozwojowe tworzenia krwinek u myszy i ludzi oraz rozwój embrionalny danio pręgowanego, aby potwierdzić, że CellOracle działa prawidłowo. Ich badania, we współpracy z laboratorium współautorki i ekspertki ds. rozwoju danio pręgowanego, dr Lilianny Solnicy-Krezel, wybitnego profesora Alana A. i Edith L. Wolff oraz kierownika Wydziału Biologii Rozwoju, również odkryły nowe role niektórych genów w rozwoju danio pręgowanego, które nie zostały wcześniej zidentyfikowane.

W powiązanym artykule online w czasopiśmie Stem Cell Reports Morris i jej współpracownicy wykorzystali CellOracle do przewidzenia, co się stanie, gdy określone geny zostaną ustawione poza ich zwykłe poziomy ekspresji.

„Odkryliśmy, że jeśli połączymy dwa określone geny, możemy przekształcić komórki skóry w rodzaj komórek, które mogą naprawić uszkodzone jelita i wątrobę” – powiedział Morris. „Jeśli chodzi o medycynę regeneracyjną, te narzędzia prognostyczne są cenne w modelowaniu, w jaki sposób możemy przeprogramować komórki, aby stały się typami komórek, które mogą promować gojenie po urazie lub chorobie”.

Według Morrisa większość laboratoryjnych metod przekształcania komórek macierzystych w różne typy komórek, takie jak krwinki czy komórki wątroby, jest nieskuteczna. Może 2% komórek dociera do pożądanego miejsca docelowego. Narzędzia takie jak CellOracle mogą pomóc naukowcom określić, jakie czynniki należy dodać do koktajlu, aby skierować więcej komórek do pożądanego typu komórek, takich jak te zdolne do naprawy jelit i wątroby.

Obecnie CellOracle może modelować tożsamość komórek ponad 10 różnych gatunków, w tym ludzi, myszy, danio pręgowanego, drożdży, kurczaków, świnek morskich, szczurów, muszek owocowych, glisty, rośliny Arabidopsis i dwóch gatunków żab.

„Otrzymujemy wiele próśb o dodanie różnych gatunków” – powiedział Morris. „Pracujemy nad dodaniem aksolotla, który jest rodzajem salamandry. Są fajnymi zwierzętami do badania regeneracji ze względu na ich zdolność do regeneracji całych kończyn i innych złożonych narządów i tkanek”.

Bibliografia:

1. Kamimoto K, Stringa B, Hoffmann CM, Jindal K, Solnica-Krezel L, Morris SA. Analiza tożsamości komórki za pomocą wnioskowania sieciowego i in silico zaburzenie genu. Natura. 2023:1-10. doi: 10.1038/s41586-022-05688-9

2. Kamimoto K, Adil MT, Jindal K i in. Rekonfiguracja sieci regulacyjnej genów w bezpośrednim przeprogramowaniu linii. Raporty dotyczące komórek macierzystych. 2023;18(1):97-112. doi: 10.1016/j.stemcr.2022.11.010

Ten artykuł został ponownie opublikowany z następującego materiały. Uwaga: materiał mógł zostać zredagowany pod względem długości i treści. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z cytowanym źródłem.