整个人类肠道映射在单细胞决议

如果你感到紧张,你可能觉得自己的直觉。如果你吃辣椒,你的直觉会反抗,但你的朋友可以吃东西,感觉很好。你可以布洛芬像糖果没有不良影响,但是你朋友的肚子可能会流血,可能会缓解疼痛。这是为什么呢?快速回答是因为我们都是不同的。下一个问题是如何完全不同,这些差异对健康和疾病意味着什么?回答这些困难得多,但北卡罗来纳大学医学院的实验室斯科特•格尼斯博士,揭示了一些有趣的科学的答案。

第一次,他实验室使用整个人类胃肠道大片从三个器官捐赠者来显示所有地区的肠道细胞类型不同,阐明细胞功能,并显示这些细胞之间的基因表达差异和个人之间。

这项工作发表在细胞和分子胃肠病学和肝脏病学打开车门,探索肠道健康的许多方面在更精确的方式比以往任何时候都更大的分辨率。

“我们的实验室显示可以了解每个细胞类型的函数在一些重要过程,如营养吸收,防止寄生虫,粘液和激素的分泌,调节饮食行为和肠道蠕动,”格尼斯说,副教授在联合UNC-NC国务院生物医学工程和高级该论文的作者之一。肠道的“我们也学会了如何可能通过受体和传感器与环境的交互,以及药物如何与不同的细胞类型。”

敏感的直觉

想到一个典型的医药商业画外音声音演员愉快地背诵可能的副作用,如腹泻、呕吐、肠出血,和其他不愉快的附带损害。嗯,他的实验室试图理解为什么那些副作用发生,单个细胞的水平,他们的功能,它们的位置和他们的基因。

对于这个研究,他实验室专注于上皮:单细胞厚层分离在小肠和结肠的一切。像其他细胞数量和微生物群,上皮细胞对人体健康是非常重要的,多年来,科学家们一直在探索。但直到现在,研究人员只能小活检粒大米的大小从几部分消化道,通常从小肠结肠或有限的地区。

”这样的探索就像是从太空看美国只有调查发生了什么在马萨诸塞州,俄克拉何马州和加利福尼亚州,”他说。”真的了解这个国家,我们想看到的一切。”

他靠在co-first作者约瑟夫·Burclaff博士后博士和研究生,Jarrett Bliton,学员在他实验室。

“我们不仅要识别细胞所在的地方,但是我们想知道哪些细胞类型做什么,以及为什么,“Burclaff说。“那么,住在地图上的类比,我们不想说,“哦,有北卡”。我们想知道哪里有最好的烧烤。我们想要一个地面视图知道尽可能多的。”

在过去,研究人员将混搭rice-sized活检来确定所有上皮细胞类型和学习这些细胞的一些基本特征。他的方法是每一部分的样本成千上万的单个细胞降低消化道(小肠和结肠)来创建一个地图,然后研究这些细胞的潜在角色通过每个细胞的基因表达。所有这一切将深化科学知识了解肠道上皮细胞,希望鼓励其他科学家去探索每一个细胞的生物学功能,在疾病和不幸的场景中药品的副作用。

做这样一个深单个细胞潜水,他需要两件事:更好的技术和人类的整个消化道。

数据的生物学

UNC-Chapel希尔获得先进的核糖核酸测序技术几年前创建的高级分析核心设施通过UNC胃肠道疾病和生物学中心、发达的科学和知识分量,研究教师员工,博士后,和学生使用最先进的设备。

格尼斯集团收购了人类消化道通过研究与HonorBridge器官捐献者服务协议。当肠道收获移植,如果他们不是高优先级团体声称,HonorBridge员工坐标格尼斯集团捐赠transplant-grade器官进行研究。

六到八小时后收获,他实验室收到完整的肠道,每个大约15到30英尺长。他们去除上皮细胞层,这是一个长连接块组织尽管只有一个细胞的厚度。然后研究人员使用的酶来分解上皮成单个细胞。在这项研究中,他们从三个独立的重复这个器官捐赠者。

利用测序技术来描述基因表达,他第一次从每个细胞中提取RNA,同时保持每个细胞分开,然后运行单细胞测序,以快照的每个肠道细胞基因表达和多少。

“这张照片我们从每个细胞都是一个马赛克的所有不同类型的基因的细胞产生,这补基因创造了一个“签名”告诉我们什么样的细胞,可能这是做什么,”他说。“这是干细胞或粘液细胞或hormone-producing细胞或immune-signaling细胞?

Burclaff补充说,“我们可以看到不同的细胞类型在整个消化道,我们可以看到不同的基因表达水平从三个不同的人在相同的细胞类型。我们可以看到不同的单个细胞的基因开启或关闭。举例来说,这就是我们可能会开始理解为什么有些人形成对某些食物中毒或药物和有些人不。”

这种研究的一个主要问题是巨大的数据量。单细胞测序回升约11000“读取”,或者个人的样本基因产物在一个细胞,在成千上万的单个细胞,每个都有不同的组合20000多个人类基因的开启或关闭,这创造了近140000000个数据点的所有12590个细胞研究中必须放到visualizable格式,这样科学家就可以理解的大量信息。

“人类的大脑只能理解两个维度,三是具有挑战性的,”他说。“添加时间,甚至更难理解什么是一个细胞。我们的实验产生的数据量基本上是数以百万计的尺寸。”

Bliton设计计算技术来过滤数据产生一个可管理的数据集,包括从所有部分胃肠道细胞群。然后,基于他和其他研究人员已经得知每个单元类型,Bliton可以从每个区域计算识别每个细胞类型。然后他绘制这些数据的方式,人类可以理解和解释。

控制巨大的数据允许科学家们学习了很多关于每个细胞类型。考虑簇细胞,发现40年前,如此命名是因为他们看起来好像塔夫茨头发的表面。原来这些簇细胞基因表达相似的舌头上的味蕾。其他研究人员发现,这些簇细胞感觉到蠕虫感染和免疫系统发送信号开始发动战争。他实验室表明簇细胞表现出一系列的基因被认为是重要的传感和“品尝”其他肠道内容所以它可以免疫系统如果需要的信号。这将是一个更广泛的函数比感应是否有在你的肠道寄生虫。

“我们不仅描述每一个细胞类型单独和他们每一个基因表达,但我们也看着潜在功能,“Burclaff说。“如果你看看肠道粘液,这是一个复杂的混合物,可以保护细胞,我们显示哪些细胞表达各种粘蛋白的蛋白质,多少,和地区的消化道。我们看具体表达的酶消化食物的地方。我们看与抗炎细胞基因表达和突触基因在肠道可能是连接到神经,跟身体的其他部位。我们观察水通道蛋白,蛋白质参与转移水通过肠膜。”

格尼斯集团发现一个全新的水平变化的潜在功能,以前并不欣赏通过混搭活检样本。

研究人员探索所有上皮细胞表面受体的蛋白质用来交流与其他细胞和分子和肠道的环境。格尼斯和他的同事们可以看到哪些受体表达最和细胞类型,画一个新的细胞如何与肠道的照片内容如营养、微生物、毒素和药物。

“据我们所知,我们第一次做这种分析在人类肠道的长度从三个完整的捐助者,“Bliton说。“我们可以看到每一个细胞类型和预测哪些药物可能会影响细胞类型分别。”

例如,有一种药物来治疗炎症性肠病;他们为了达到特定目标,特定的免疫细胞,引发炎症。但他实验室得知一些上皮细胞表达相同的基因的免疫细胞,目的是目标。这一发现表明可能有“脱靶”效应在上皮细胞不打算和可能导致的副作用。

“不知道,”Burclaff说。“很多药物有坏胃肠道副作用。这可能是因为药物影响细胞个体在整个消化道长度。我们展示这些受体表达和细胞类型。”

这类的知识,只是一个从他实验室的初步研究结果。

“我们希望科学、医学和制药社区使用我们发现,”他说。“我们采用了解析方法进行有条不紊地解决每一个细胞类型,为大多数科学家生产易于阅读和访问电子表格,并展示几个例子我们可以发现这种高分辨率,精度的方法。”

参考:Burclaff J, Bliton J, Breau KA, et al . proximal-to-distal对健康成年人的调查由单细胞转录组小肠和结肠上皮。CMGH细胞。摩尔。杂志。2022年。doi:10.1016 / j.jcmgh.2022.02.007

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