Yeni bir yöntem beyin hücrelerinin nasıl yaşlandığını izliyor

Hastane bebek bakımevleri rutin olarak yenidoğanların minik bileklerinin etrafına isim, cinsiyet, anne ve doğum tarihi gibi önemli tanımlayıcı bilgileri içeren yumuşak bantlar yerleştirir. Rockefeller Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yeni doğanların beyin hücreleri konusunda da aynı yaklaşımı izliyorlar, ancak bu yeni doğanlar kimlik kartlarını ömür boyu saklayacaklar, böylece bilim insanları beyin yaşlanma sürecini daha iyi anlamanın bir yolu olarak onların nasıl büyüdüğünü ve olgunlaştığını takip edebilecek.

Yeni’de açıklandığı gibi kağıt Hücrede genetikçi Rockefeller’ın geliştirdiği yeni yöntem Junyu Cao Takım arkadaşlarına TrackerSci (“gökyüzü” olarak telaffuz edilir) adı verilir. Bu düşük maliyetli, yüksek verimli yaklaşım, neonatal hücre üretimi yaşam boyunca devam ederken, üretilen hücre türlerinin yaşlara göre büyük farklılıklar gösterdiğini ortaya çıkardı. Cao’nun laboratuvarından ortak yazarlar Xiu Lu ve Melissa Zhang tarafından yürütülen bu öncü çalışma, yalnızca beynin incelenmesini değil, aynı zamanda insan vücudundaki yaşlanma ve hastalıkların daha geniş yönlerini de etkilemeyi vaat ediyor.

Merkezin başkanı Cao, “Hücre vücudumuzun temel işlevsel birimidir, dolayısıyla her hastalığın ve yaşlanma sürecinin temelinde hücredeki değişiklikler yatar” diyor. Tek Hücreli Genomik ve Popülasyon Dinamiği Laboratuvarı. “Eğer bu yeni teknolojiyi kullanarak farklı hücreleri ve onların dinamiklerini sistematik olarak karakterize edebilirsek, birçok hastalığın mekanizmasına ve yaşlanmanın gizemine dair panoramik bir bakış açısı kazanabiliriz.”

Nadir ve güçlü

Yetişkin memeli beyninde sürekli olarak yeni hücreler üretilir; bu, hafıza, öğrenme ve stresle ilişkili çok önemli bir süreçtir. Özel hücre tiplerine farklılaşan yetişkin kök hücreler olan progenitör hücrelerden gelişirler.

Ancak teknolojik sınırlamalar ve hücrelerin azlığı nedeniyle bu sürecin nasıl gerçekleştiği hala büyük ölçüde bilinmiyor. Beyindeki progenitör hücreleri bulmak samanlıkta iğne aramak gibi bir iştir. Memelilerde tüm beyin hücrelerinin yalnızca %0,5’ini temsil eder. Bu sayı yaşamın ilerleyen aşamalarında %0,1’e düşer; hastalık ve yaşlanmanın önemli bir özelliği olan hücresel dengesizlik nedeniyle aşağıya doğru bir kayma olur.

Cao, doku ve organların sabit hücre popülasyonlarını (sağlığın ayırt edici özelliği) nasıl koruduğunu araştırıyor; bu nedenle kendisi ve ekibi, farklı hücre popülasyonlarının nasıl geliştiğini ve bu çeşitli nöronların aynı şekilde dejenere olup olmadığını veya farklı yollar çizip çizmediğini araştırmak istedi. Hücrelerinin yaşını doğumdan olgunluğa kadar takip etmek yalnızca farklılıkları değil, aynı zamanda ortaya çıktıklarını da ortaya çıkaracaktır.

Laboratuvarı, tek hücrelerin gen ekspresyonuna ve moleküler dinamiğine odaklanan, giderek daha popüler hale gelen bir analiz yöntemi olan tek hücre dizilimine yönelik yöntemlerin geliştirilmesinde uzmanlaşmıştır. Kao’nun grubu, milyonlarca hücrenin eş zamanlı analizine olanak tanıyan gelişmiş ancak uygun maliyetli bir teknik olan kombinatoryal indekslemeyi kullanıyor. Bu yöntem, her hücrenin benzersiz moleküler düzeneğiyle ilişkili farklı barkodlar kullanarak hücresel molekülleri benzersiz bir şekilde etiketler. Cao ve meslektaşları TrackerSci’yi kullanarak bu tekniği daha da geliştirmeyi başardılar. Bu geliştirme, memeli organlarındaki nadir progenitör hücre dinamiklerinin hassas bir şekilde etiketlenmesine ve izlenmesine olanak sağlar.

Cao, “Bu bir kimlik kartı ile GPS takip cihazının birleşimi gibi” diyor.

Daha genç ve daha yaşlı

Mevcut çalışmada araştırmacılar, 5-etinil-2-deoksiüridin (EdU) olarak bilinen sentetik bir molekül kullanarak üç yaştaki (genç, olgun ve yaşlı) farelerin tüm beyinlerinden 10.000’den fazla yeni doğmuş progenitör hücreyi analiz etti. Bu yeni doğan hücreler farklılaştıkça, çoğaldıkça ve yayıldıkça, EdU bir GPS izleyici gibi davranarak DNA’larını etiketlemeye devam etti. Bu yenilikçi teknik, araştırmacıların, farklı moleküler işlevlere sahip hücre tipi ailelerine dönüşürken bu yeni doğan hücrelerin on binlerce gen ifadesini ve kromatin manzaralarını analiz etmelerine olanak tanıdı.

Cao, “Tek bir deneyde, beynin tamamındaki birçok hücre tipinin çoğalmasını ve hücresel farklılaşma oranlarını ölçebildik; bu, geleneksel yöntemlerle mümkün değildi” diyor. “Bunlar yalnızca statik bilgileri, yani hücrenin bir andaki mevcut moleküler durumunu yakalar. Ancak TrackerSci, zaman içindeki dinamik bilgileri yakalar. Bu, diğer yöntemlerin anlık görüntüler almasına benzer ve biz bir film çekeriz.”

Bu filmlerden bazı net ve şaşırtıcı karakterler ortaya çıktı. En çarpıcı olanı, farenin yaşına bağlı olarak üretilen hücre türlerinde dramatik değişiklikler olmasıydı.

Örneğin beynin birincil iletişim hücreleri olan nöronlara dönüşen progenitörlerin sayısı genç beyinlerde daha fazladır. Aynı şey, nöronları sararak, besin sağlayarak ve patojenlere karşı savunma yaparak onlar için stabil bir ortam oluşturan bir grup glial hücre için de geçerlidir; bunların hepsi hala gelişmekte olan genç bir organ için önemlidir.

Yaşlanan beyinde bunun tersi geçerlidir. Nadiren progenitör hücreler nöronlara veya glial hücrelere dönüşür; Aslında neredeyse tüm beyin hücresi türleri azalır. Eksik hücrelerin çoğu, hafıza ve Alzheimer gibi hastalıklarla bağlantılı bir alan olan hipokampusta nöronlar oluşturmak için gerekli olan dentat girustaki nöronlardır. Yetişkin beyni ile karşılaştırıldığında yaşlı beyinde bu hücrelerin sayısı 16 kat azalır.

Bunun yerine, yaşlanan beyinde bağışıklık hücreleri ve bir tür makrofaj olan mikroglia çoğalır. Ancak beyni korumak yerine yaşlanmaya özgü inflamatuar bir hücresel duruma geçerler ve bu hücreler daha yüksek oranda üretilir. Kısacası yaşlanan beyin daha fazla hücre üretir ve bu da yaşlanan beyin için daha fazla soruna neden olur.

Bilim kurgu sınırdır

Cao, TrackerSci’nin birden fazla organın yenilenme kapasitesini izlemek için kullanılabileceğini söylüyor.

“Biz bir beyin laboratuvarı değiliz” diye belirtiyor. “Ayrıca akciğer, kolon, pankreas ve birçok farklı organdaki progenitör hücrelerin profilini çıkarmaya yönelik protokolü de test ettik.”

Diğer organlar beyinlerden çok daha yüksek oranda progenitör hücre içerir; Örneğin neonatal progenitör hücreler kolondaki hücrelerin %20’sinden fazlasını temsil eder. Birkaç yıl önce Cao, bir model oluşturarak gelişmekte olan bir insan fetüsünde hücre popülasyonlarının dinamiklerini analiz etmenin mümkün olduğunu gösterdi. Hücresel atlas Benzer bir kombinatoryal indeksleme yönteminin kullanılması.

TrackerSci, yakın zamanda Cao’nun laboratuvarında ortaya çıkan birkaç tek sıralama teknolojisinden biridir. Yüksek lisans öğrencisi Zihan Xu tarafından geliştirilen PerturbSci-Kinetics adı verilen başka bir yöntem, ölçeklenebilir tek hücreli genomikleri yüksek verimli genetik bozulmalarla veya gen fonksiyonunu etkileyebilecek manipülasyonlarla birleştirerek RNA’nın zamansal dinamiklerinin altında yatan genom çapındaki düzenleyici ağı çözer. Yöntem yakın zamanda A’da açıklanmıştır. kağıt Doğada ve biyoteknolojide.