1. oldal
Néhány hónappal ezelőtt Steve McCarroll, a Harvard kutatója bejelentette, hogy kollégáival azonosított egy gént, amely kulcsszerepet játszik a skizofrénia kialakulásában. A C4 nevű DNS-szakasz korábban is ismert volt a szakértők előtt, de mindenki azt hitte, hogy annak az immunrendszer működésében van feladata. McCarroll vizsgálatai alapján azonban egyértelműen úgy tűnik, hogy a gén az agyban is csinál valamit. Hogy pontosan mit művel, ahhoz a kutatóknak először is azt kellett kideríteniük, hogy az agy mely sejtjeiben fejeződik ki a C4.
A kérdés megválaszolása azonban nem volt egyszerű feladat. Mivel eddig senki sem vizsgálta a kérdést, a kutatóknak maguknak kellett tanulmányozniuk több mint 700 elhunyt agyát. A szakértők szeletekre vágták a szerveket, majd egy tucatnyi különböző színű antitesttel árasztották el a darabokat, hogy kimutassák a C4 aktivitását. A szeletek és az antitestek eltérő minősége miatt a vizsgálat változatos eredményeket produkált, de végül majdnem egy év alatt sikerült kideríteni, hogy nagyjából mely sejtekben fejeződik ki a kérdéses gén.
A kutatócsoport problémája napjainkban meglehetősen elterjedt gond. A genetikusok naponta új dolgokat derítenek ki azzal kapcsolatban, hogy mely gének növelik vagy csökkentik a különböző betegségek kialakulásának kockázatát, arról ugyanakkor alig tudunk valamit, hogy a test 30 billió sejtjéből melyik használ egy adott gént. A szervezetünket felépítő sejtek génkifejeződése ugyanis nagyon változatos lehet, de ennek feltérképezésével kapcsolatban mostanáig nagyon kevés vizsgálat történt. Így hiába derül ki, hogy egy gén adott allélja hajlamosít erre vagy arra a betegségre, ha nem tudjuk, hogy ez a gén mely sejtekben aktív, normális esetben mit csinál, és mi változik, ha a betegségokozó allélt hordozza a genom.
Ezen kérdések megválaszolása nélkül pedig az új bioorvosi technikák alkalmazása is akadályokba ütközik, hiszen hogyan is növeszthetnénk új szerveket és szöveteket, ha nem tudjuk, azokban mely géneknek kellene aktívnak lenniük, és hogyan javíthatnánk ki a DNS hibáit, ha nem vagyunk tisztában azzal sem, hogy mely sejteket kellene célba vennünk.
Vegyünk egy egyszerűnek tűnő kérdést: hányfajta sejt van a testünkben? A szövettani tankönyvek tanúsága szerint nagyjából 200 különböző típusú idegsejtet, izom- és szívizomsejtet stb. lehet megkülönböztetni. De ha megkérdezünk egy immunológust, azt fogja mondani, hogy csak immunsejtekből több mint 200 különböző típus van. Ha egy T-limfocitákra szakosodott kutatónak tesszük fel a kérdést, azt a választ kapjuk, hogy T-sejtekből is legalább 200 fajta létezik.
Csak a retinában legalább száz idegsejttípust különböztetnek meg a kutatók, mondja Aviv Regev, az MIT biológia professzora, a Klarman Sejtobszervatórium és a Broad Intézet sejtáramköri programjának vezetője. Hogy még bonyolultabb legyen a helyzet, egyes sejtek képesek más sejtekké átalakulni, és minden altípus sok különféle formát felvehet attól függően, hogy milyen az aktuális környezet, kik a szomszédai, hol helyezkedik el a szövetben és milyen molekulákkal kerül interakcióba.
Ezen faktorokat mind figyelembe kell venni ahhoz, hogy megtudjuk, milyen sejtekből áll össze szervezetünk. Regev néhány éve pontosan ennek megvalósítására készül: létre akarja hozni az emberi sejtatlaszt, vagyis sejtjeink teljeskörű leírását. A kész atlasz minden altípust felsorol majd, és azt is, hogy ezek hogyan változhatnak meg az idő múlásával, hogy hol találhatók meg, és persze azt is ismerteti, hogy mely gének aktívak bennük. A humán genom első leírásához hasonlóan ez is egy olyan forrás lesz, amely megkerülhetetlenné válik mindenki számára, aki a szervezetet kívánja kutatni. Regev tehát nem kisebb célt tűzött ki maga elé, minthogy elkészítse az emberi test teljes és kereshető Google Térképét.
2. oldal
Az ambiciózus vállalkozást még öt évvel ezelőtt is lehetetlennek tűnt megvalósítani, a technológia fejlődésének hála azonban ma már beláthatónak tűnik a projekt. „Az ötlet egy ideje terítéken van” – mondja Sarah Teichmann, a Sanger Intézet sejtgenetikai részlegének vezetője. „Négy évvel ezelőtt beszéltem is erről valakivel, de akkor még őrültségnek tűnt belevágni. Most is őrültségnek látszik persze, de olyannak, amely majdnem megvalósítható, így legalább hajlandóak megfontolni az emberek.”
Ez jelentős részben Regevnek köszönhető, aki 2014 óta azon dolgozik, hogy útjára indítsa a projektet. „Ő az egyik legokosabb ember, akit ismerek, amellett hogy elkötelezett, kiváló megfigyelő, együttérző és gondoskodó is” – mondja Dana Pe’er, a Columbia bioinformatikai laborjának vezetője.
Regev és Teichmann néhány hete Londonban tartott egy megbeszélést azon kutatók számára, akik érdeklődnek a projektben való részvétel iránt. A gigantikus vállalkozásra már az anyagi fedezet is megvan, hiszen a nemrég alakult Chan–Zuckerberg Initiative (CZI) elkötelezte magát a kezdeményezés mellett. A Facebook alapítója, Mark Zuckerberg és felesége által létrehozott jótékonysági szervezet célja, hogy a releváns alapkutatások támogatása révén az évszázad végére minden betegség gyógyíthatóvá, megelőzhetővé vagy menedzselhetővé váljon. Ahogy Cori Bargmann, a CZI elnöke elmondta a londoni megbeszélésen, a szervezet mindent meg kíván tenni, hogy a sejtatlasz elkészüljön, mert ezt szükségesnek látják a végső cél megvalósításához.
A humán sejtatlasz ötlete oly sok más dologhoz hasonlóan egy véletlennek köszönheti megszületését. Amikor a szakértők sejteket vizsgálnak, a legtöbbször nagy sejtpopulációkat tanulmányoznak, és ezekből kreálják meg az adott típus átlagos sejtjének képét. Ennek során a sejtek diverzitása eltűnik, így Regev és kollégái, akiket éppen sokféleség érdekelt, olyan szoftvereket és hardvereket hoztak létre, amelyekkel az egyes sejtek is tanulmányozhatók. A kutató először 2012-ben kezdett az új módszerekkel vizsgálódni, az immunrendszer részeit képező dendritikus sejtekre irányítva eszközeit.
Regev 18 ilyen sejtet izolált, majd elkezdte tanulmányozni, hogy ezekben mely gének aktívak. Az eredmény mindenkit meglepett: a 18 látszólag egyforma sejtből 3 egészen más géneket működtetett, mint a többi. Az egységesnek hitt mintáról tehát rögtön kiderült, hogy valójában két sejttípust tartalmaz. A kutatócsoport további 1700 dendritikus sejttel ismételte meg a vizsgálatot, és közben újabb varianciákat fedezett fel a génkifejeződésben. A kérdéses sejtek feladata, hogy olyan molekulákat ragadjanak meg, amelyek fertőzés jelenlétére utalhatnak, és ezeket megmutassák az immunrendszer más sejtjeinek, amelyek felismerik a fenyegetéseket. A vizsgálatokból azonban az derült ki, hogy a látszólag egyforma sejtek ugyanazon molekulával találkozva más-más géneket aktiválnak, és más sebességgel is teszik meg ezt.
Regev számára a kísérletekből egy dolog vált világossá, mégpedig az, hogy még mindig rendkívül keveset tudunk a szervezet alapegységeiről. Évtizedek óta tanulmányozzuk és tenyésztjük ezeket a sejteket, és úgy teszünk, mintha mind egyformák lennének, mondja a kutató. Persze mindenki tudta, hogy ez nem egészen igaz, de azt nem sejtették, hogy ennyire nagy a változatosság. A technológia fejlődésével azonban gyorsabbá és olcsóbbá váltak az alaposabb vizsgálódások. Míg Regevnek 2012-ben több ezer dollárba került a 18 sejt elemzése, 2013-ra némi robotikus segítséggel sejtenként 10 dollárra szorította le a vizsgálati költségeket.
McCarroll aztán még olcsóbbá tette a vizsgálatokat. Kollégáival kidolgoztak egy technikát (DropSeq), amelynek során a sejtek nagyon vékony csatornákon haladnak keresztül. Az ilyen módon libasorba kényszerített sejteket egyesével olajcseppekbe csomagolják, így külön-külön szekvenálható a genomjuk és a bennük található RNS-ek is, ami megmutatja, hogy mely gének aktívak bennük. Az új módszerrel több százezer sejt vizsgálható párhuzamosan, sejtenként 6 centes áron. Így pedig már valóban adottak a feltételek a humán sejtatlasz költséghatékony összeállításához. Ehhez azonban nagyon rövid idő alatt elképesztő fejlődésre volt szükség a génkifejeződés sejtenkénti vizsgálatának területén, ami Regev és McCarroll munkájának köszönhetően valósult meg.
3. oldal
Ahogy már említettük, a sejtatlasz jóval több lesz egy átfogó katalógusnál, hiszen ennek révén válhat valósággá a bioorvoslás számos új vívmánya. Amikor a genetikusok ráakadnak egy betegség hátterében álló génre, tudniuk kell, hogy az mely sejtekben aktív. Amikor az immunológusok sejteket hoznak létre a rákos sejtek felismerésére, azokat úgy kell programozniuk, hogy olyan markerek alapján azonosítsák a fenyegetést, amelyeket az egészséges sejtek nem hordoznak. És amikor a kutatók szerveket növesztenek a laborokban, biztosnak kell lenniük, hogy ezek sejtjei valóban úgy működnek, ahogy a szervezet eredeti szövetei.
Az emberi sejtatlasz persze ugyanúgy nem fogja megfejteni a szervezet összes titkát, ahogy a humán genom szekvenálása sem válaszolt meg minden kérdést génjeinkkel kapcsolatban. Ugyanakkor olyan alapot szolgáltathat, amelyből számtalan jövőbeni kutatás indulhat ki és válhat a mainál jóval egyszerűbbé. A projekt ráadásul a már befejezett kutatások eredményeinek értelmezését is megkönnyítheti. A szakértők mostanra rengeteg beteg szövet sejtjeinek DNS-ét szekvenálták: az atlasz anyagára támaszkodva ezekből az adatokból megállapítható lehet, hogy mely sejtek okozták a problémát. Ez megkönnyítheti a tumorok osztályozását, és hatékonyabbá teheti a célzott kezeléseket anélkül, hogy új kutatást kellene elvégezni.
Persze sokan még ma is úgy látják, hogy az emberi sejtatlasz létrehozása képtelen vállalkozás. A Humán Genom Projektnek volt egy jól meghatározható végpontja: az emberi genom közel teljes szekvenálása. A sejtek kategorizálása azonban sokak szerint behatárolhatatlan feladat, mivel mindig lesznek újabb és újabb altípusok. Regev azonban ezt nem így látja. Szerinte nem kell attól félni, hogy kiderül, minden egyes sejtünk „önálló egyéniség”, hanem lesznek stabil, jól körülhatárolható kategóriák.
A feladat hatalmas, de nem befejezhetetlen, és nem képtelenség, vallja a szakértő. És ha nem is sikerül minden egyes sejttípust záros határidőn belül kategorizálni, az nagyon hamar ki fog derülni, hogy valójában mekkora vállalkozásról van szó. Ha a szervezet jelenlegi sejtjeivel kapcsolatos tudásunkat egy elnagyolt vonalakkal megrajzolt, részleteket nem tartalmazó térképként képzeljük el, a sejtatlasz azzal kecsegtet, hogy jelentősen javít a felbontáson, és megmutatja, hol vannak a hegyek és a folyók. Minden egyes szikla helyét persze ez sem fogja ábrázolni, de erre talán nincs is szükség.
Regev már jelenleg is olyan projekteken dolgozik, amelyek igazolják, hogy a sejtatlasz létrehozható és nagyon hasznos lesz. A kutató és kollégái mostanra az egerek retinájának összes ismert sejttípusát leírták, és munka közben még néhány új típust is felfedeztek, ami lenyűgöző eredmény annak tükrében, hogy eddig mennyire sokan tanulmányozták ezt a szövetet. A szakértők most tumorokat, immunsejteket, a beleket és az agy két régióját vizsgálják hasonló módszerekkel.
Regev szerencsére nincs egyedül álmaival. Több más kutatócsoport is azon dolgozik, hogy sejtszinten tegye megismerhetővé a szervezetet. Az agy működésének megértését célzó BRAIN Initiative első lépése például szintén a sejtek számbavétele. És más vizsgálatok is akadnak, amelyek egy-egy szerv vagy szövet mindennél alaposabb leírásával próbálkoznak. A kérdés csak az, hogyan lehetne az így megszerzett tudást egyetlen adatbázisba tömöríteni, és létrehozni az átfogó sejtatlaszt.
A londoni megbeszélés fontos lépés volt ennek megvalósulása felé. A résztvevők közt ott ült a világ számos, az egyes sejtek genomjának vizsgálatával foglalkozó pionírja, a már említett Pe’er mellett például a stanfordi Stephen Quake és a svéd Sten Linnarson is. A megjelentek mind elkötelezték magukat a sejtatlasz létrehozása mellett és elkezdték megbeszélni, hogyan kellene belevágni a projektbe. Olyan témák merültek fel például, hogy mely szervekkel kellene kezdeni a vizsgálatot, és milyen technikákat érdemes alkalmazni. De arról is szó esett, hogyan lehetne belevágni az olyan nehezen hozzáférhető szervek tanulmányozásába, mint amilyen a hasnyálmirigy. A munka tehát megkezdődött. „Ma az emberi biológia egy egészen új területének létrehozásába vágunk bele. Ez pedig rendkívül inspiráló célkitűzésnek tűnik” – mondta el Mike Stratton, a Sanger Intézet kutatója, aki megnyitotta a tanácskozást.
