16. yüzyılda Belçikalı haritacı Abraham Ortelius dünyanın ilk modern atlasını yarattı; haritalardan oluşan bir koleksiyona "Dünya Tiyatrosu" adını verdi. Ortelius ve diğerleri tarafından çizilen haritalar, o zamanlar dünyanın kıtaları, şehirleri, dağları, nehirleri, gölleri ve okyanusları hakkında en iyi bilgileri detaylandırıyor ve küresel coğrafyaya dair yeni bir anlayışa öncülük ediyordu.

Benzer şekilde, hücre atlaslarının (hücre hücre oluşturulan organ ve vücut haritalarının) oluşturulması, biyoloji anlayışımızda yeni bir çağın habercisidir. Son on yılda icat edilen güçlü sıralama ve görüntüleme teknolojileri, pankreas ve karaciğerden plasentaya kadar insan organlarının ve dokularının yanı sıra fare ve meyve sineği gibi diğer hayvanların organ ve dokularının kompozisyonunu eşi benzeri görülmemiş ayrıntılarla ortaya çıkarıyor. Bu yeni araçlarla araştırmacılar, ifade ettikleri genlere göre tek tek hücrelerin parmak izlerini alabiliyor. Bu bilgi, hücreler arasındaki incelikli ve beklenmedik farklılıkları ortaya çıkardı ve hücre türlerinin çeşitliliğinin, organların sağlıklı işleyişi için nasıl gerekli olabileceğini aydınlatmaya başladı.

"Bilimde bu hücre türlerinin kompozisyonunu artık anlayabildiğimiz inanılmaz bir noktadayız" dedi. Steve QuakeStanford Üniversitesi'nde hücre atlaslarını mümkün kılan teknolojilerin geliştirilmesine yardımcı olan bir biyomühendis ve biyofizikçi. “İnsan biyolojisinin nasıl çalıştığını anlama şeklimizi değiştirdi.”

Ulusal Sağlık Enstitüleri'nin bir parçası olan iki hücre atlası çalışması 250 milyon dolarlık beyin hücresi sayımıBulgularını yeni yayınlayanlar, alanda köpüren heyecanı gösteriyor. Bugün Tabiatlaboratuvarlardan oluşan bir koalisyon, toplu olarak aşağıdakileri oluşturan dokuz çalışma yayınladı: Fare beyninin ayrıntılı bir atlası — bugüne kadarki en kapsamlı memeli beyni atlası. Organda bulunan 5,300'den fazla hücre tipini tanımlamaktadır. Bu hücrelerin nasıl dağıldığı ve birbirleriyle nasıl ilişkili olduğu, memeli beyninin evrimi hakkında pek çok ilgi çekici fikir ortaya koyuyor.

Geçen ay, hücre atlası projesine yapılan önemli bir başka katkıyla, küresel bir işbirlikçi ağı şunu yayınladı: bir takım kağıtlar in Bilim İnsan beyninin inanılmaz hücresel çeşitliliğini ve karmaşıklığını belgeleyen dergiler. Bu tam bir atlas değil çünkü bilim insanları yalnızca organdaki hücre örneklerinin profilini çıkardı. Yine de insan beyninin şimdiye kadar yapılmış en ayrıntılı haritasını sunuyor.

Bu çalışma sayesinde, insan beyninin, her biri farklı gen dizisini ifade eden en az 3,300 farklı türde nöron içerdiği açıktır; bu da hücrelerin biraz farklı işlevlere sahip olabileceğine işaret etmektedir. Bu çeşitliliğin çoğunun beynin daha az çalışılan ve evrimsel açıdan daha eski olan bölgelerinde olduğu ortaya çıktı.

Bu insan beyni hücresi atlası yalnızca ilk basımdır. Bilim insanları beyindeki her bir hücreyi sayma ve sınıflandırma işine devam ettikçe muhtemelen binlerce ek hücre tipini de tanımlayacaklar.

Hücre çeşitliliğini bulmak ve tanımlamak yalnızca ilk adımdır. Daha sonra bilim adamlarının hücrelerin hangi işlevlere hizmet ettiğini ve birbirlerine nasıl uyum sağladıklarını çözmeleri gerekiyor. Bu nedenle Quake ve diğerleri, insan vücudundaki hücre haritalarını tam bir insan hücre atlasına dönüştürmek için çalışıyorlar: dokuların yanlış gittiği hangi belirli hücrelerin parçalanmasına yardımcı olabilecek bütünsel bir insan hücre atlası. çeşitli hastalıklar. Çalışmanın durumunu bilen araştırmacılara göre, bu atlasın ilk taslağı muhtemelen bundan iki yıl sonra yayınlanacak.

Henüz erken olmasına rağmen bilim insanları, bu haritaların hücreler, onların nasıl işlediği ve bir organizmanın yaşam süresi boyunca nasıl değişebileceği hakkındaki temel sorulara yanıt vereceğini öngörüyor. "Bir bakıma bu biraz inanç sıçraması, tıpkı İnsan Genomu Projesi ile hemen hemen aynı şekilde" dedi Michael AngeloStanford'da patoloji alanında doçent olan Dr. Ancak "bu çok haklı bir inanç sıçraması."

Bir Hücrenin Benzersiz İfadesi

Sadece birkaç yıl öncesine kadar dokularımızın mikroskop altında analizlerine dayanarak çoğu araştırmacı yaklaşık olarak şuna inanıyordu: 36 trilyon hücre Yetişkin bir insan vücudundaki hücreler yalnızca birkaç yüz farklı türe ayrılabilir: üç tür kas hücresi, derideki epitelyal ve fibroblast hücreler, sinir sistemindeki çeşitli nöronlar, kan damarlarını kaplayan endotelyal hücreler vb. Ancak İnsan Genomu Projesi'nin başarısı, araştırmacıları hücresel yapımıza genetik düzeyde daha derinlemesine bakmaya davet etti.

Hücrelerimizdeki farklılıklar genlerin kendilerindeki farklılıklardan kaynaklanmaz: Vücudunuzdaki her hücre, kendinize özgü DNA'nızın ve onun kodladığı proteinleri üreten 20,000 genin bir kopyasını içerir. Quake, "Genom bir parça listesidir" dedi. "Belirli bir genomdan hangi hücre tiplerinin çıktığını tahmin etmenin bir yolu yok."

Beyaz kan hücresini kas hücresinden moleküler düzeyde ayırt etmek için bilim adamlarının hücrenin RNA'sına bakması gerekiyor. DNA dizilerinden kopyalanan RNA transkriptleri, proteinlerin oluşturulmasına yönelik talimatları hücrenin protein yapım merkezi olan ribozoma taşır. Bu nedenle RNA transkriptleri, belirli bir hücrede hangi genlerin aktif olduğu ve eksprese edildiği hakkında bilgi içerir.

Bilim insanları, güçlü bir tek hücreli genom bilimi araçları seti kullanarak, bir hücrenin parmak izini almak için bu ifade modellerini okuyabilir. Bu araçlar son birkaç yılda olgunlaştı ve bilim insanları artık tek bir deneyde onbinlerce, hatta milyonlarca hücreye hızlı ve verimli bir şekilde bakabiliyor.

Quake, "Bu bir kez yerine oturduğunda artık sizi atlas yapmaktan alıkoyacak hiçbir şey kalmayacak" dedi. "Her şey bir şekilde basamaklandı."

Hücre atlasları yağmaya başladı. Bilim insanları, tek tek hücrelerdeki gen ifadesini inceleyerek işe başladılar. model organizmalar meyve sinekleri ve fareler gibi. O zamandan beri insanlara geçtiler. Geçtiğimiz yıl içerisinde haritalar kan damarları, tümörler, plasenta, böbrek ve bağırsakdiğer dokuların yanı sıra yüksek profilli dergilerde yayınlandı. Bu atlasların çoğu yalnızca hücre kimliklerine bakmakla kalmadı, aynı zamanda bu hücrelerin dokularda tam olarak nerede konumlandığını da haritalandırdı; bu bilgiler, hangi hücrelerin hastalıkla ilgili olabileceğini anlamak için kritik öneme sahipti.

"Toplanan veri miktarı akıllara durgunluk verici" dedi Elizabeth RheaWashington Üniversitesi'nde herhangi bir hücre atlası çalışmasında yer almayan bir araştırma görevlisi profesör. Teknolojilerin ne kadar hızlı ilerlediğini anlattı: 12 yıl önce, Vanderbilt Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi olan Rhea, gelişmekte olan fare beyni ve karaciğerindeki tek bir genin ifadesini inceleyecekti. Artık "bunu yapabiliyoruz, ancak bir doku parçasındaki her hücrede ifade edilen her gen için" dedi.

Her yeni hücre atlasıyla araştırmacılar, daha önce ne kadar karmaşıklığın eksik olduğunu hesaba katmak zorunda kaldı. Verileri gözden geçirmenin bazen Angelo'ya sanki sonsuz döngü halindeki fraktal videolarına bakıyormuş gibi hissettirdiğini söyledi. "Yakınlaştırmaya devam ediyorsun" ve kalıp süresiz olarak devam ediyor; ne kadar çok şeyi ortaya çıkarırsanız, o kadar çok ortaya çıkarılacak şey olduğunu fark edersiniz. "Bunların çoğu oldukça göz korkutucu."

Bunun birçok insan organı, özellikle de beyin için geçerli olduğu kanıtlandı.

Akıllara durgunluk veren çeşitlilik

İnsan beyninin yapısı ve işlevi açısından karmaşıklığı, onu anlama yeteneğimizi sınırladı. 86 milyar nöronu, vücuttaki düşünceleri, algıları, duyguları ve önemli işlevleri canlandıran küçük kıvılcımlardır. Fabian TheisÇeşitli atlas çalışmaları üzerinde çalışan ancak beyin atlasında yer almayan Helmholtz Münih'teki hesaplamalı sağlık merkezinin yöneticisi, bir meslektaşının kendisine beynin ayrı bir organizma gibi olduğunu söylediğini hatırlıyor. "Sanki 100 organ bir araya toplanmış gibi" dedi.

Claudia DoegeColumbia Üniversitesi'nde patoloji ve hücre biyolojisi alanında doçent olan Dr. "Bu büyük karışıklığı ortaya çıkarmak için birçok insanı bir araya getirmeniz gerekiyor" dedi.

Doege, vücut ısısı, kalp atış hızı ve açlık gibi temel vücut fonksiyonlarını kontrol etmek için evrimleşen, beynin eski ve kritik bir parçası olan hipotalamusu inceliyor. 2020 yılında, hipotalamik dokulardan toplanan beyin atlası verilerinin yorumlanmasına yardımcı olması için davet edildi; bu, nadiren örneklenen beyin bölgesini araştırmak için nadir bir fırsattı.

Bunun “devasa bir görev” olduğunu söyledi Hannah GloverDoege'nin laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı. Bilgisayarının başına aralıklı olarak küfreden Glover, beynin farklı bölgelerinde ifade edilen genleri tanımlamak ve bunları yeni analiz edilen hipotalamusta bulunan genlerle karşılaştırmak için aylarca literatürü ve referans atlaslarını karıştırdı.

Doege, analizin "aşırı miktarda çeşitlilik" ortaya çıkardığını söyledi. Hipotalamustaki 350 farklı bölgeden 19'den fazla farklı nöron popülasyonu ve 10 nöron olmayan hücre popülasyonu tanımladılar.

Beyin hücresi sayımı üzerinde çalışan diğer araştırma grupları da bunu destekledi. rebecca hodgeSeattle'daki Allen Beyin Bilimi Enstitüsü'nde yardımcı araştırmacı olarak görev yapan ve yeni araştırmaların birçoğunun ortak yazarı olan Bilim Makaleler ayrıca hücre türlerinin çoğunun beynin evrimsel olarak eski kısımlarında bulunduğunu da buldu.

Hodge, eleştirel düşünme gibi üst düzey işlevlerin gerçekleştiği, üzerinde çok çalışılan beyin bölgesine atıfta bulunarak, "Bu, bu kadar çok hücresel çeşitliliğin korteksin dışında olduğunun ilk tanımlarından biriydi" dedi. "Muhtemelen oradaki gerçek hücresel çeşitliliğin yüzeyini çiziyor."

Araştırma ekipleri beynin tamamında 3,300'den fazla farklı nöron türü keşfetti ve bu açıklama kesinlikle eksik. Bugün yayınlanan fare beyninin bugüne kadarki en kapsamlı atlası, hem nöronlar hem de glia dahil 5,300 hücre tipini tanımladı. Projede medulla gibi bazı bölgelerden hücre sayımı verileri eksik. Yine de araştırmacılar, derlendiğinde insan beynindeki hücre türlerinin tam sayısının muhtemelen benzer olacağını düşünüyor.

"Fare beynine kıyasla insan beyninde muhtemelen çok daha fazla hücre tipinin bulunmadığını düşünüyoruz" dedi. Hongkui ZengFare beyin hücresi atlası çalışmalarına öncülük eden Allen Beyin Bilimi Enstitüsü'nün yöneticisi. Araştırmacılar zaten iki türün beyin atlası veri setlerini karşılaştırdılar ve gördüklerine dayanarak Zeng, kişisel tahminini insan beyninde "muhtemelen 5,000 ila 10,000 arasında" hücre türü olarak ortaya koyuyor.

Fare beyni çalışması, hücre türlerini sıralamaktan fazlasını yapar: Aynı zamanda bu hücreleri, beyin bölgelerinin bağlamına yerleştirir. gezilebilir bir atlas olarak. Araştırmacılar, eklenen bu konumsal bilgilerden büyüleyici yeni sonuçlar çıkardılar.

İnsan beyninde olduğu gibi fare beyninin de hipotalamus ve amigdala gibi daha eski bölgelerinin hücresel çeşitliliğin çoğunu içerdiğini buldular. Ancak bu çeşitli hücre tipleri birbiriyle yakından ilişkilidir ve nispeten az farklılığa sahiptir. Buna karşılık, beyincik ve talamus gibi evrimsel açıdan daha yeni beyin bölgeleri genel olarak daha az hücre tipi içerir. Ancak hücre tipleri birbirinden oldukça farklıdır ve her beyin bölgesi kendine özgü hücre tiplerini içerir.

Yazarlar, antik hipotalamusun metabolizma, nefes alma ve üreme gibi yaşamı desteklemek için kritik olan temel işlevleri yerine getirmesi nedeniyle evrimsel olarak kısıtlandığını öne sürdüler. Evrimleşmesi daha uzun sürdü, bu da daha fazla hücre tipinin ortaya çıkmasına neden oldu, ancak hücreler temel tiplerinden çok fazla uzaklaşamazlardı. Zeng, "Devreler iyi kurulmuş ve her değişiklik yaptığınızda hayvanın hayatını tehlikeye atabilirsiniz" dedi.

Öte yandan korteks gibi daha yeni beyin bölgelerinin, hayvanların yeni ortamlara ve zorluklara uyum sağlamasına yardımcı olan biliş ve duygu gibi işlevleri yerine getirdiğini söyledi. Bu daha az kısıtlı beyin bölgeleri daha hızlı ve daha fazla evrimleşebildi ve bu da bölgelere özgü beyin hücre tiplerinin ortaya çıkmasına neden oldu.

Fare beyninden elde edilen bulgular, insan beyni atlası tamamlandığında bilim adamlarının yapması muhtemel keşif türlerinin önizlemesini sunuyor. İnsan çalışmasının şimdiden "beyin evrimi hakkında daha önce kimsenin bilmediği temel gerçekleri" sağladığını söyledi. Thomas NaslarisMinnesota Üniversitesi'nde herhangi bir atlas çalışmasına dahil olmayan bir doçent. "Kimsenin bu yeni gerçeklerin insan bilişinin evrimi açısından ne anlama geldiğine dair bir fikri yok. Ancak bunlar kimsenin bilmediği çok temel gerçekler, bu yüzden muhtemelen önemli oldukları ortaya çıkacak.”

Sonunda araştırmacılar, bu yeni beyin haritalarının hücresel ayrıntılarını nörolojik bozuklukların tedavisini iyileştirmek için kılavuz olarak kullanmayı planlıyor. Hodge, "Bu atlasları hazırlarken kritik olduğunu düşündüğüm şeylerden biri, hastalık bağlamında işlerin nasıl değiştiğini anlamak için bir temel veya referans sağlamasıdır" dedi.

Örneğin, onlarca yıllık araştırmalara rağmen bilim insanları hala tam olarak bilmiyorlar. Alzheimer hastalığına ne sebep olur. Beynin kompozisyonunun aşırı basitleştirilmiş bir haritası nedeniyle bu bozukluğa dair anlayışımızın geri kalmış olması mümkündür. Hücre atlasının özgüllüğü, araştırmaları ve ilaçları daha kesin ve etkili hale getirebilir.

Tüm Vücuda Bir Köprü

Sadece beyin hücresi atlasındaki bulgular bile baş döndürücü. Ancak diğer hücre atlaslarının da benzer eğilimleri ortaya çıkardığını düşünün. Araştırmacılar organ üstüne organda beklediklerinden daha fazla hücre türü çeşitliliği buluyor gibi görünüyor. Bu keşifler, dokuların sağlıklı işleyişinin çoğunlukla biraz farklı işler yapan doğru hücre karışımına bağlı olduğunu gösteriyor. Bu nedenle her bir hücre atlası, vücudun bir bölgesini ve bu konuda ters gidebilecek her şeyi anlamak için neredeyse hesaplanamaz yeni olanaklar sağlar.

Bazı araştırmacıların aklında daha büyük bir hedef var: Tüm haritaları bir araya getirerek bir şeyler yaratmak istiyorlar. Roser Vento-TormoWellcome Sanger Enstitüsü'nün hücresel genetik grup lideri, insan vücudunun "Google Haritaları" ile karşılaştırıldı.

Ortelius'un çabasının biyolojik bir versiyonu gibi, İnsan Hücresi Atlası proje, dünya çapındaki bilim adamlarının katkıda bulunduğu referans haritaları birbirine bağlayarak insan vücudundaki 36 trilyon hücrenin tamamını kapsayan böyle bir harita taslağı oluşturmaya çalışıyor. 2016 yılında kurulan projede şu anda diğer birçok bilimsel ve özel grubun yanı sıra Ulusal Sağlık Enstitüleri ve Avrupa Birliği gibi 2,300'den fazla işbirlikçi ve yüksek profilli fon sağlayıcı yer alıyor.

İnsan hücresi atlasının ilk versiyonu, büyük keşfine umut verici derecede yakın: Vento-Tormo, bunun yaklaşık iki yıl içinde yapılması gerektiğini söyledi. Tüm insan hücre tiplerinin profillerini dahil etmek pek olası değildir. İlk coğrafi atlaslar veya ilk yayınlanan insan genomu gibi, ilk insan hücre atlası da yayınlandığında tamamlanmamış olacak, ancak onu tekrar tekrar revize etme planları olacak. Vento-Tormo, "Başlangıçtayız" dedi.

Gelecekteki hücre atlasları muhtemelen hücre kimliğini daha derinlemesine araştıracaktır. Quake, çoğu hücre haritasının yalnızca haberci RNA'ya baktığını, bunun "hücredeki tek RNA türü bile olmadığını" söyledi. Üstelik eksprese edilmiş bir gen, mutlaka bir hücrede belirli bir proteinin mevcut olduğu anlamına gelmez. Rhea, gelecekteki hedefin tek hücrelerde hangi proteinlerin ve diğer moleküler ürünlerin mevcut olduğuna dair veri toplamak olduğunu söyledi.

İlk tam insan hücre haritası yapıldıktan sonra bile çalışma bitmeyecek. İnsan Hücresi Atlası projesinin temel amacı, hücresel çeşitliliğimizi tam olarak haritalandırmak için dünya çapındaki popülasyonlardan çok sayıda örnek gerektirecek olan insan çeşitliliğini tam olarak temsil etmektir. Bu örneklerin birçok çeşitlilik eksenini dikkate alması gerekecek: cinsiyet, yaş, soy, hastalık durumu ve daha fazlası.

Önümüzde uzanan göz korkutucu çalışma, araştırmacıların mevcut atlaslara dair coşkusunu söndüremez. Angelo, "Önümüzdeki iki veya üç yıl içinde tüm bunlardan ne çıkacağını görmek çok heyecan verici olacak" dedi. Bu atlasların ilk baskıları daha şimdiden temel biyoloji hakkında ne kadar çok şey öğrenmemiz gerektiğini ortaya koyarken aynı zamanda yepyeni sorular da ortaya koyuyor; yeni bir bilimsel devrimin başlangıcının açık işaretleri.

Naselaris, "Bu çabalardan kesinlikle çok şey öğreneceğiz" dedi. "Ne öğreneceğimizi bilmiyoruz çünkü önemli soruların çoğunu formüle etmek için bile gereken temel gerçeklerden yoksunuz." Nehirlerin, dağların ve bazen de bütün ülkelerin eksik olduğu coğrafyacıların ilk atlasları gibi, bu atlaslar da gelecek olanın ilk taslaklarıdır.

Kuantum izleyicilerimize daha iyi hizmet verebilmek için bir dizi anket yürütüyor. Bizimkini al biyoloji okuyucu anketi ve ücretsiz kazanmak için girileceksiniz Kuantum mal.