バイオエンジニアは、種間で細胞を比較するアルゴリズムを開発しています-驚くべき結果が得られました

研究者たちは、魚、マウス、扁形動物、海綿など、何億年もの間分岐してきた種から類似の細胞型を特定するアルゴリズムを作成しました。これは、進化の理解におけるギャップを埋めるのに役立つ可能性があります。

細胞は生命の構成要素であり、すべての生物に存在します。 しかし、あなたの細胞はマウスにどれほど似ていると思いますか？ 魚？ ワーム？

生命の木全体でさまざまな種類の細胞型を比較す​​ると、生物学者は細胞型がどのように発生し、さまざまな生命体の機能的ニーズにどのように適応したかを理解するのに役立ちます。 これは、新しいテクノロジーによってすべての生物のすべての細胞の配列決定と識別が可能になるため、近年、進化生物学者の関心が高まっているテーマです。 スタンフォード大学のバイオエンジニアリングの助教授であるBoWangは、次のように述べています。

この機会に応えて、Wangの研究室は、進化の距離を超えて同様の細胞型を接続するアルゴリズムを開発しました。 彼らの方法は、2021年5月4日に発表された論文に詳述されています。 eLife、異なるタイプのセルタイプを比較するように設計されています。

彼らの研究では、チームは7つのタイプを使用して21の異なるペアを比較し、すべての種で見つかった細胞のタイプとそれらの類似点と相違点を特定することができました。

細胞型を比較す​​る

王の研究室で働いているバイオエンジニアリングの大学院生であるアレクサンダータラシャンスキーによると、アルゴリズムを作成するアイデアは、王が研究室に入ったときに思いついたもので、2つの異なる種類のワームからの細胞型データセットを分析できるかどうか尋ねました。実験室での研究が行われていました。 同時。

論文の筆頭著者であり、Stanford Bio-Xの学際的フェローであるTarashansky氏は、「両者の違いがどれほど明白であるかに驚きました」と述べています。テクニック、メソッドはそれらが同じであるため、それらを認識しません。」

彼は、それが技術の問題なのか、それとも細胞型が種間で一致するにはあまりにも異なっているのか疑問に思いました。 その後、Tarashanskyは、種間で細胞型をより適切に一致させるためのアルゴリズムの開発を開始しました。

「スポンジを人間と比較したいとします」とTarashanskyは言いました。 「生物の進化に伴い、遺伝子は増殖し、変化し、再び繰り返されるため、どのスポンジ遺伝子がどのヒト遺伝子に対応するかははっきりしていません。これで、スポンジに1つの遺伝子があり、人間の多くの遺伝子に関連している可能性があります。 「」

以前のデータ照合方法のように1対1の遺伝子一致を見つけようとする代わりに、研究者のマッピング方法は、スポンジ内の1つの遺伝子をすべての可能な対応するヒト遺伝子と照合します。 次に、アルゴリズムはどちらが正しいかを確認します。

タラシャンスキー氏は、個々の遺伝子ペアのみを見つけようとすることは、過去の細胞型のマッピングに対する科学者の願望を制限していたと述べています。 「ここでの主な革新は、広範囲にわたる比較のために、何億年にもわたって進化してきた機能を考慮に入れることだと思います。」

「進化し続ける遺伝子を使用して、異なる種でも絶えず変化している同じタイプの細胞を認識するにはどうすればよいでしょうか？」 論文の最初の著者である王は言った。 「進化は遺伝子と有機形質を使用して理解されてきました。私たちは今、細胞がどのように進化するかを見ることによって、スケールを橋渡しするための刺激的なターニングポイントにいると思います。」

生命の木を埋める

チームは、マッピングアプローチを使用して、種を超えて保存された遺伝子と細胞型のファミリーを発見しました。

タラシャンスキー氏によると、この研究のハイライトは、2つの非常に異なる種類の扁形動物の間で幹細胞を比較していたときでした。

「幹細胞クラスターで1対1の一致が見つかったという事実は本当にエキサイティングでした」と彼は言いました。 「基本的に、これにより、世界中の何億人もの人々に感染する寄生性扁形動物の内部に幹細胞がどのように現れるかについて、多くの新しく刺激的な情報が開かれたと思います。」

チームのマッピング結果は、スポンジなどの非常に単純な動物種から、マウスや人間などのより複雑な哺乳類まで、ニューロンと筋細胞の特性が強力に保護されていることも示しています。

ワン氏は、「これは、これらのタイプの細胞が動物の進化の非常に早い段階で発生したことを本当に示している」と述べた。

チームが細胞比較ツールを構築したので、研究者は分析のためにさまざまな種に関するデータを収集し続けることができます。 より多くの種からより多くのデータセットが収集および比較されると、生物学者はさまざまな生物の細胞型の経路を追跡できるようになり、新しい細胞型を認識する能力が向上します。

「スポンジとワームだけがあり、その間のすべてを失った場合、スポンジ状の細胞型がどのように進化したか、またはそれらの祖先がどのようにスポンジとワームに多様化したかを知ることは難しい」とタラシャンスキー氏は述べた。 「私たちは、この種の進化的分析を容易にし、種間で知識を伝達できるように、生命の木に沿ってできるだけ多くのノードを埋めたいと考えています。」

参照：「後生動物全体の単一細胞アトラスのマッピングは細胞型の進化を明らかにする」投稿者Alexander J. Tarashansky、Jacob M. Moser、Margarita Khariton、Penjiang Li、Detlev Arendt、Stephen R. Quike、Bo Wang、2021年5月4日 eLife。
DOI：10.7554 / eLife.66747

他のスタンフォード大学の共著者には、大学院生のマルガリータハリトン、ビンヤンリー、スティーブンクウィック、バイオエンジニアリングのリーオッターソン教授、応用物理学の教授、チャンザッカーバーグバイオハブの共同議長が含まれます。 他の共著者は、欧州分子生物学研究所とハイデルベルク大学の出身です。 Wangは、StanfordBio-XおよびWuCai Institute ofNeurosciencesのメンバーでもあります。 Kwikは、Bio-X、Stanford Cardiovascular Institute、Stanford Cancer Institute、およびWu Tsai Institute ofNeurosciencesのメンバーです。

この研究は、Stanford Bio-X、Beckman Young Investigator Award、およびNational Institutes ofHealthによって資金提供されました。 WangとKwikは、Wu Tsai Institute ofNeuroscienceが資金提供するNeuro-OmicsInitiativeの一環として、この作業に基づいて構築されます。