16 世紀、ベルギーの地図製作者アブラハム オルテリウスは、世界初の近代的な地図帳、つまり彼が「世界の劇場」と呼んだ地図のコレクションを作成しました。 オルテリウスらによって描かれた地図には、当時世界の大陸、都市、山、川、湖、海洋に関する最良の知識が詳細に記載されており、世界地理の新たな理解を促すのに役立ちました。

同様に、細胞アトラス（細胞ごとに構築された器官や体の地図）の作成は、生物学の理解に新時代の到来を告げています。 過去 XNUMX 年間に発明された強力な配列決定およびイメージング技術により、膵臓や肝臓から胎盤に至るまでのヒトの臓器や組織の構成、さらにはマウスやショウジョウバエなどの他の動物の構成が、前例のない詳細さで明らかになりつつあります。 これらの新しいツールを使用すると、研究者は、発現している遺伝子に基づいて個々の細胞のフィンガープリントを行うことができます。 その情報により、細胞間の微妙で予期せぬ違いが明らかになり、細胞型の多様性が臓器の健全な機能にどのように不可欠であるかが明らかになり始めています。

「私たちは現在、これらの細胞型の構成を理解できる科学の驚くべき時点にいます」と述べた。 スティーブ・クエイク、スタンフォード大学の生物工学者および生物物理学者であり、細胞アトラスを可能にする技術の開発に貢献しました。 「人間の生物学がどのように機能するのかを理解する方法が変わりました。」

国立衛生研究所の一環である XNUMX つの細胞アトラスの取り組み 250億XNUMX万ドルの脳細胞調査、調査結果を発表したばかりのこの記事は、現場で沸き起こっている興奮を物語っています。 今日は 自然、研究室の連合は、集合的に形成されるXNUMXつの研究を発表しました マウスの脳の詳細なアトラス — これまでで最も包括的な哺乳類の脳アトラス。 臓器全体で見られる 5,300 種類以上の細胞について説明しています。 これらの細胞がどのように分布し、相互に関連しているかは、哺乳類の脳の進化に関する多くの興味深いアイデアを示唆しています。

先月、セル アトラス プロジェクトへのもう XNUMX つの画期的な貢献として、協力者の世界的なネットワークが発表されました。 書類一式 in 科学 人間の脳の信じられないほどの細胞の多様性と複雑さを記録したジャーナル。 科学者が臓器全体の細胞のサンプルのみをプロファイリングしたため、これは完全なアトラスではありません。 それにもかかわらず、これはこれまでに作成された人間の脳の最も詳細な地図を提供します。

この研究のおかげで、人間の脳には少なくとも 3,300 種類の異なる種類のニューロンが含まれており、それぞれが異なる遺伝子セットを発現していることが明らかとなり、これらの細胞がさまざまなわずかに異なる機能を果たす可能性があることが示唆されています。 この多様性の多くは、あまり研究されておらず、進化的により古い脳の領域にあることが判明した。

このヒト脳細胞アトラスは初期版にすぎません。 科学者たちが脳内のすべての細胞を集計して分類する作業を続けると、さらに数千の細胞タイプが特定される可能性があります。

さまざまな細胞を見つけて説明することは、最初のステップにすぎません。 次に科学者は、細胞がどのような機能を果たし、どのように結合するかを解明する必要があります。 そのため、Quakeらは、人体全体の細胞マップをつなぎ合わせて完全なヒト細胞アトラスを作成することに取り組んでいる。これは、組織がどのような異常をきたしている特定の細胞を区別するのに役立つ可能性がある、人間の全体的な参照マップである。さまざまな病気。 研究の状況に詳しい研究者らによると、その地図帳の最初の草稿は今から約XNUMX年後に出版される可能性が高いという。

まだ初期の段階ではありますが、科学者たちは、これらの地図が細胞、細胞がどのように機能するか、生物の寿命にわたってどのように変化するかについての基本的な疑問に答えることになると予測しています。 「ある意味、これはちょっとした信念の飛躍であり、ヒトゲノム計画とほぼ同じです」と彼は言った。 ミケランジェロ、スタンフォード大学病理学准教授。 しかし、「それは非常に正当な信念の飛躍です。」

細胞のユニークな表現

ほんの数年前まで、ほとんどの研究者は、顕微鏡での組織の分析に基づいて、およそ 36兆個の細胞 成人の人体の体内の細胞は、わずか数百種類に分類することができます。つまり、XNUMX 種類の筋肉細胞、皮膚の上皮細胞と線維芽細胞、神経系のさまざまな種類のニューロン、血管の内側を覆う内皮細胞などです。 しかし、ヒトゲノム計画の成功により、研究者たちは私たちの細胞構成を遺伝子レベルでより深く調べるようになりました。

私たちの細胞の違いは、遺伝子そのものの違いから来るものではありません。体内のすべての細胞には、特有の DNA のコピーと、それがコードするタンパク質を作るための 20,000 個の遺伝子が含まれています。 「ゲノムは部品リストです」とクエイク氏は言う。 「特定のゲノムからどの細胞型が生じるかを予測する方法はありません。」

分子レベルで白血球と筋細胞を区別するには、科学者は細胞の RNA を調べる必要があります。 DNA 配列からコピーされた RNA 転写物は、タンパク質を構築するための指示を細胞のタンパク質構築センターであるリボソームに伝えます。 したがって、RNA 転写物には、特定の細胞でどの遺伝子が活性化され発現しているかに関する情報が含まれています。

科学者は、強力な単一細胞ゲノミクス ツールのセットを使用して、これらの発現パターンを読み取り、細胞のフィンガープリントを行うことができます。 これらのツールはここ数年で成熟し、科学者は XNUMX 回の実験で数万、さらには数百万の細胞を迅速かつ効率的に観察できるようになりました。

「一度それが整えば、アトラスの作成を妨げるものは何もありません」とクエイク氏は語った。 「すべてが連鎖的に起こったのです。」

細胞アトラスが流入し始めました。科学者たちは、細胞内の個々の細胞における遺伝子発現を調べることから始めました。 モデル生物 ショウジョウバエやネズミのように。 それ以来、彼らは人間に移りました。 過去 XNUMX 年以内に、 血管, 腫瘍, 胎盤、腎臓、腸などの組織は、有名な雑誌に掲載されました。 これらのアトラスの多くは、細胞の正体を調べるだけでなく、それらの細胞が組織内のどこに位置するかを正確にマッピングしました。これは、どの細胞が疾患に関与しているかを理解するために重要な情報です。

「データ収集の量は驚くべきものです」と彼は言いました エリザベス・レア、ワシントン大学の研究助教授ですが、細胞アトラスの取り組みには一切関与していません。 彼女はテクノロジーの進歩の速さを振り返りました。12 年前、ヴァンダービルト大学の大学院生だったレアさんは、発生中のマウスの脳と肝臓における単一遺伝子の発現を調べました。 今では、「組織の塊内のすべての細胞で発現されるすべての遺伝子に対して、それが可能です」と彼女は言う。

新しい細胞アトラスを作成するたびに、研究者は、以前にどれだけの複雑さが欠けていたかを計算する必要がありました。 データを確認していると、アンジェロさんは時々、フラクタルの無限ループビデオを見ているように感じることがありました、と彼は言いました。 「ズームインし続けると」パターンが無限に続きます。 発見すればするほど、発見すべきことがさらにあることに気づきます。 「これの多くは、気が遠くなるようなものです。」

これは人間の多くの臓器、特に脳に当てはまることが証明されています。

驚くべき多様性

人間の脳はその構造と機能が複雑であるため、それを理解する能力は限られています。 その 86 億個のニューロンは、思考、認識、感情、そして身体全体の重要な機能を活性化する小さな火花です。 ファビアン・タイスヘルムホルツ・ミュンヘンのコンピュータ・ヘルス・センターの所長は、いくつかのアトラスの取り組みに取り組んでいるが、脳アトラスには関与していなかったが、ある同僚が脳は別個の有機体のようなものだと彼に言ったのを覚えている。 「100の臓器がXNUMXつに噛み合ったようなものです」と彼は言う。

クラウディア・ドージコロンビア大学の病理学および細胞生物学の准教授も、その見解に同調した。 「あの大きな混乱を乗り切るには、多くの人を集める必要がある」と彼女は言う。

Doege は、体温、心拍数、空腹感などの基本的な身体機能を制御するために進化した脳の古代の重要な部分である視床下部を研究しています。 2020 年、彼女は視床下部組織から収集された脳地図データの解釈を手伝うよう招待されました。これは、まれにサンプリングされる脳領域を調査する貴重な機会です。

それは「大変な仕事」だった、と彼は言った ハンナ・グローバー、ドージの研究室の博士研究員。 断続的にコンピューターに向かって悪態をつきながら、グローバーさんは何か月もかけて文献や参考地図帳を引き裂いて、脳のさまざまな領域で発現している遺伝子を特定し、新たに分析した視床下部で見つかった遺伝子と比較した。

分析の結果、「極端な多様性」が明らかになったとドージ氏は語った。 彼らは、視床下部内の350の異なる領域から19を超える異なるニューロン集団と10の非ニューロン細胞集団を同定した。

脳細胞の調査に取り組んでいる他の研究グループもこれを裏付けています。 レベッカ・ホッジ、シアトルのアレン脳科学研究所の研究助手であり、いくつかの新しい論文の共著者 科学 論文では、ほとんどの細胞型が進化的に古い脳の部分に位置していることも発見しました。

「これは、これほど多くの細胞の多様性が皮質の外側に存在するという最初の記述の一つでした」とホッジ教授は、批判的思考などの高次の機能が起こる脳の領域についてよく研究されていることに言及した。 「おそらく、実際の細胞の多様性がどのようなものであるかについて、表面をなぞっただけです。」

研究チームは脳全体で 3,300 以上の異なる種類のニューロンを発見しましたが、その説明は確かに不完全です。 本日発表された、これまでで最も包括的なマウス脳アトラスでは、ニューロンとグリアの両方を含む 5,300 の細胞型が特定されました。 このプロジェクトには、延髄などの一部の領域の細胞調査データが欠落しています。 それでも研究者らは、人間の脳の細胞型の全数を集計した場合、おそらく同様になるだろうと考えている。

「人間の脳には、マウスの脳に比べて細胞の種類がそれほど多くないのではないかと考えています。」 ゼン・ホンクイ、アレン脳科学研究所の所長であり、マウス脳細胞アトラスの取り組みを主導しました。 研究者らはすでにこの5,000種の脳地図データセットを比較しており、これまでに観察したことに基づいて、ゼン氏は人間の脳には「おそらく10,000～XNUMX個の細胞型がある」と個人的に推定している。

マウスの脳の働きは、細胞の種類を列挙するだけではありません。また、これらの細胞を脳領域のコンテキストに配置します。 ナビゲート可能なアトラスとして。 その追加された位置情報から、研究者たちは興味深い新しい結論を導き出しました。

彼らは、人間の脳と同様に、視床下部や扁桃体などのマウスの脳のより古い領域に細胞の多様性のほとんどが含まれていることを発見しました。 ただし、これらのさまざまな細胞型は互いに密接に関連しており、違いは比較的少ないです。 対照的に、小脳や視床などの進化的に新しい脳領域には、全体的に含まれる細胞の種類が少なくなります。 しかし、それらの細胞タイプは互いに非常に異なっており、各脳領域にはその領域に固有の細胞タイプが含まれています。

著者らは、古代の視床下部は代謝、呼吸、生殖といった生命維持に不可欠な基本的な機能を担っているため、進化的に制約されてきたのではないかと仮説を立てた。 進化にはより長い時間がかかり、その結果、より多くの細胞型が発生しましたが、細胞は基本的な型から大きく外れることはできませんでした。 「回路は十分に確立されており、変更を加えるたびに動物の命が危険にさらされる可能性があります」とゼン氏は言う。

一方、皮質のような新しい脳領域は、動物が新しい環境や課題に適応するのを助ける認知や感情などの機能を実行している、と彼女は述べた。 これらの制約の少ない脳領域はより速く、より進化することができ、その結果、その領域に特有の脳細胞タイプが誕生しました。

マウスの脳から得られた発見は、人間の脳地図が完成したときに科学者がどのような発見をする可能性があるかを予感させるものである。 すでに人間の研究により、「これまで誰も知らなかった脳の進化に関する基本的な事実」が得られつつあると述べた。 トーマス・ナセラリス、ミネソタ大学の准教授ですが、アトラスの取り組みには関与していません。 「これらの新しい事実が人間の認知の進化に何を意味するのか、誰も知りません。 しかし、それらは誰も知らなかった非常に基本的な事実であるため、おそらく重要であることが判明するでしょう。」

最終的に研究者らは、これらの新しい脳マップの細胞の詳細を、神経疾患の治療を改善するためのガイドとして使用することを計画しています。 「これらのアトラスを作成する上で重要だと私が思うことの XNUMX つは、病気という状況の中で物事がどのように変化しているかを理解するためのベースラインまたは参考資料を提供することです」とホッジ氏は述べました。

たとえば、何十年にもわたる研究にもかかわらず、科学者たちはまだ本当のことをわかっていません。 アルツハイマー病の原因は何ですか。 この障害に対する私たちの理解は、単純化しすぎた脳の構成図によって妨げられている可能性があります。 細胞アトラスの特異性により、研究や治療がより正確で効果的なものになる可能性があります。

全身への架け橋

脳細胞アトラスの内部の発見だけでも目がくらむようなものです。 しかし、他の細胞アトラスでも同様の傾向が明らかになっていると考えてください。 研究者らは臓器ごとに、予想以上に多様な細胞型を発見しているようだ。 これらの発見は、組織の健全な機能は、わずかに異なる働きをする細胞の適切な組み合わせに依存していることが多いことを示唆しています。 したがって、個々の細胞アトラスは、身体の領域と、それに問題が発生する可能性のあるすべてのことを理解するためのほぼ計り知れない新しい可能性を提供します。

研究者の中には、より大きな目標を念頭に置いている人もいます。つまり、すべての地図をつなぎ合わせて、 ローザー・ヴェント＝トルモウェルカム・サンガー研究所の細胞遺伝学のグループリーダーは、人体の「グーグルマップ」に例えた。

オルテリウスの試みの生物学的バージョンのように、 ヒト細胞アトラス プロジェクトは、世界中の科学者によって提供された参照マップをリンクすることにより、人体の 36 兆個の細胞すべてをカバーするそのようなマップの草案を作成することに取り組んでいます。 2016 年に設立されたこのプロジェクトには、現在 2,300 人以上の協力者と、国立衛生研究所や欧州連合、その他多くの科学団体や民間団体などの著名な資金提供者が参加しています。

ヒト細胞アトラスの初版は、興味をそそられるほど大規模な公開に近づいている。それはおよそXNUMX年以内に完成するはずだ、とヴェント＝トルモ氏は語った。 すべてのヒト細胞タイプのプロファイルが含まれる可能性は低いです。 最初の地理地図帳や最初に公開されたヒトゲノムと同様、最初のヒト細胞地図帳は公開時点では不完全ですが、繰り返し改訂される予定です。 「我々はまだ始まったばかりだ」とヴェント＝トルモ氏は語った。

将来の細胞アトラスでは、おそらく細胞の正体もより深く調査されることになるでしょう。 ほとんどの細胞マップはメッセンジャー RNA のみを調べており、メッセンジャー RNA は「細胞内の唯一の種類の RNA ですらない」とクエイク氏は述べた。 さらに、発現した遺伝子は必ずしも特定のタンパク質が細胞内に存在することを意味するわけではありません。 将来の目標は、単一細胞内にどのタンパク質やその他の分子産物が存在するかに関するデータを収集することだとレア氏は語った。

最初の完全なヒト細胞マップが完成した後でも、作業は完了しません。 Human Cell Atlas プロジェクトの中心的な目的は、人間の多様性の全範囲を表現することであり、細胞の多様性を完全にマッピングするには、世界中の集団から多くのサンプルが必要になります。 これらのサンプルでは、​​性別、年齢、祖先、疾患状態など、多様性の多くの軸を考慮する必要があります。

これから待ち受ける気の遠くなるような作業にもかかわらず、現在の地図帳に対する研究者の高揚感を鎮めることはできない。 「今後 XNUMX ～ XNUMX 年でこれらすべてがどのようになるかを見るのは非常にエキサイティングです」とアンジェロ氏は語った。 すでにこれらの地図帳の初版は、基礎生物学について私たちがまだどれだけ学ばなければならないかを明らかにしていると同時に、まったく新しい疑問を提起しており、これは新たな科学革命の始まりの明らかな兆候です。

「私たちはこれらの取り組みから間違いなく多くのことを学ぶでしょう」とナセラリス氏は語った。 「重要な疑問のほとんどを定式化するのに必要な基本的な事実が不足しているため、何が学べるのかわかりません。」 地理学者が作成した最初の地図帳のように、川、山、場合によっては国全体が欠けていたように、これらの地図帳は今後のものの初期の草稿です。

クアンタ では、視聴者により良いサービスを提供するために一連のアンケートを実施しています。 私たちのものを取ってください 生物学読者アンケート そしてあなたは無料で当選するためにエントリーされます クアンタ 商品。