細胞器——細胞內(nèi)RNA和蛋白質(zhì)的片段——在人類健康和疾病中起著重要作用，例如維持體內(nèi)平衡，調(diào)節(jié)生長和衰老以及產(chǎn)生能量。細胞中的細胞器多樣性不僅存在于細胞類型之間，還存在于單個細胞之間。研究這些差異有助于研究人員更好地了解細胞功能，從而改進治療各種疾病的治療方法。
在佐治亞理工學(xué)院和埃默里大學(xué)庫爾特生物醫(yī)學(xué)工程系的伯尼·馬庫斯早期職業(yè)教授AhmetF.Coskun實驗室的兩篇論文中，研究人員使用細胞內(nèi)工具包檢查了一種特定類型的干細胞，以確定哪些細胞最有可能產(chǎn)生有效的細胞療法。
我們正在研究細胞器在細胞內(nèi)的位置以及它們?nèi)绾谓涣饕詭椭玫刂委熂膊?。我們最近的工作建議使用細胞內(nèi)工具包來繪制干細胞中的細胞器生物地理學(xué)，這可能導(dǎo)致更精確的治療。
第一項研究-;發(fā)表在《自然》雜志《科學(xué)報告》上;研究了間充質(zhì)干細胞(MSCs)，這些干細胞歷來為修復(fù)缺陷細胞或調(diào)節(jié)患者的免疫反應(yīng)提供了有希望的治療方法。在一系列實驗中，研究人員能夠通過快速亞細胞蛋白質(zhì)組學(xué)成像創(chuàng)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的單細胞方法，從而實現(xiàn)個性化的干細胞治療。
研究人員隨后實施了一種快速多重免疫熒光技術(shù)，其中他們使用旨在靶向特定細胞器的抗體。通過熒光抗體，他們跟蹤波長和信號以編譯許多不同細胞的圖像，創(chuàng)建地圖。然后，這些圖譜使研究人員能夠看到細胞器接觸的空間組織和相似細胞中的地理分布，以確定哪種細胞類型最能治療各種疾病。
“通常，干細胞用于修復(fù)有缺陷的細胞或治療免疫疾病，但我們對這些特定細胞的微觀研究表明它們彼此之間有多么不同，”Coskun說。“這證明，在選擇組織來源時，應(yīng)考慮患者治療人群和干細胞身份及其生物能量細胞器功能的定制分離。換句話說，在治療特定疾病時，最好根據(jù)患者的需要從不同位置收獲相同類型的細胞。
RNA-RNA鄰近性很重要
在本周發(fā)表在CellReportsMethods上的下一項研究中，研究人員將工具包更進一步，研究了單個細胞中多個相鄰RNA分子的空間組織，這對細胞功能很重要。研究人員通過結(jié)合機器學(xué)習(xí)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)來發(fā)展該工具。他們發(fā)現(xiàn)，分析基因接近性的變化以進行細胞類型分類比僅分析基因表達更準確。
“分子之間的物理相互作用創(chuàng)造了生命;因此，這些分子的物理位置和接近度起著重要作用，“Coskun說。“我們在每個細胞的不同地理部位創(chuàng)建了一個亞細胞基因鄰域網(wǎng)絡(luò)的細胞內(nèi)工具包，以仔細研究這一點。
實驗由兩部分組成：計算方法的開發(fā)和實驗室工作臺上的實驗。研究人員檢查了已發(fā)表的數(shù)據(jù)集和一種根據(jù)RNA分子的物理位置對RNA分子進行分組的算法。這種“最近鄰”算法有助于確定基因分組。在工作臺上，研究人員隨后用熒光標記RNA分子，以便在單個細胞中輕松定位它們。然后，他們從RNA分子的分布中發(fā)現(xiàn)了許多特征，例如基因可能位于相似的亞細胞位置。
細胞治療需要許多具有高度相似表型的細胞，如果治療細胞中存在未知細胞的亞型，研究人員無法預(yù)測這些細胞一旦注射到患者體內(nèi)的行為。使用這些工具，可以鑒定更多相同類型的細胞，并且可以分離出具有不常見基因程序的不同干細胞亞群。
“我們正在擴展分子亞細胞空間組織的工具包-如果你愿意的話，這是亞細胞空間組學(xué)領(lǐng)域的'瑞士軍刀'，”Coskun說。“目標是測量，量化和建模每個細胞中具有多種功能的多個獨立但又相互關(guān)聯(lián)的分子事件。最終目的是定義細胞的功能，以實現(xiàn)高能量，樂高狀模塊化基因鄰域網(wǎng)絡(luò)和多樣化的細胞決策。
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