Глаукома и макулярная дегенерация ежегодно становятся причиной слепоты у миллионов людей. Эти заболевания были связаны с сотнями генов, повышающих восприимчивость к ним, и часто служат исходными мишенями для терапии, направленной на предотвращение или обращение слепоты. Однако точная локализация, время и причины экспрессии этих генов в зрительной системе не всегда были очевидны.

После более чем десятилетия исследований ученые Гарвардского университета завершили комплексный анализ, который не только позволяет наметить путь к более эффективной и точной генной терапии нарушений зрения, но и способствует более глубокому пониманию сложной природы человеческого зрения.

Под руководством нейробиолога Джошуа Санеса (Joshua Sanes) исследовательская группа составила полный каталог из почти 160 типов клеток, присутствующих во всех структурах человеческого глаза. Кроме того, они задокументировали гены, экспрессируемые каждым из этих типов клеток. Полученные результаты, названные «клеточным атласом человеческого глаза», были подробно представлены в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Наш атлас можно использовать для оценки того, какие типы клеток экспрессируют тот или иной ассоциированный с заболеванием ген, что позволяет предложить способы разработки эффективных терапевтических стратегий», — пояснил Санес.

Джошуа Санес, профессор молекулярной и клеточной биологии имени Джеффа К. Тарра (Jeff C. Tarr) и основатель Гарвардского центра исследований мозга (Harvard's Center for Brain Science), проявлял давний интерес к изучению сложного формирования нейронных цепей в мозге млекопитающих. Его особое внимание было сосредоточено на нейросетчатке, расположенной в заднем сегменте глаза, которая служит гибридом камеры и графического процессора. Большинство случаев необратимой слепоты связано с заболеваниями сетчатки, что делает ее важнейшим объектом для изучения. Дополнительным преимуществом является легкая доступность сетчатки для исследований, так как она находится вне черепной коробки, что исключает необходимость инвазивных процедур.

Более десяти лет назад Санес и его коллеги начали использовать секвенирование РНК отдельных клеток для идентификации генов, экспрессируемых одновременно в тысячах клеток сетчатки. Эта новая технология в сочетании с постоянно совершенствующимися биоинформатическими инструментами позволила им систематически классифицировать клетки нейросетчатки на основе их транскриптов РНК. Эти транскрипты являются уникальными фрагментами генетической информации, которые становятся различимыми, когда ДНК в каждой клетке подвергается транскрипции в РНК.

Заинтригованный причинами слепоты, Санес расширил использование секвенирования РНК, включив в него не только клетки сетчатки, но и весь глаз человека, включая соседние структуры, такие как роговица, радужка и зрительный нерв, многие из которых, как известно, участвуют в потере зрения.

В своем недавнем исследовании группа ученых тщательно проанализировала ошеломляющее количество — 151 000 отдельных клеток, включая структуры зрительного нерва, головки зрительного нерва, склеры и пигментного эпителия сетчатки. Эта масштабная работа привела к идентификации почти 160 различных типов клеток, некоторые из которых уникальны для таких структур, как хрусталик или сетчатка, в то время как другие были общими для нескольких компонентов. Проведенный всесторонний анализ стал фундаментальной основой для понимания того, какие типы клеток экспрессируют определенные гены и, что крайне важно, где эти гены экспрессируются.

В качестве значимой валидации своей работы команда использовала вновь созданный атлас для картирования экспрессии более чем 180 генов, связанных с глаукомой — основной причиной слепоты в мировом масштабе. Это изнурительное заболевание поражает не только сетчатку, но и ткани глаза как в переднем, так и в заднем сегменте. Примечательно, что исследователи обнаружили экспрессию ассоциированных с глаукомой генов в самых разных типах клеток, включая неожиданные места, такие как пигментный эпителий сетчатки.

Полное картирование генетической экспрессии в глазу человека открывает перспективы для развития методов лечения слепоты и проливает свет на эволюцию человеческого зрения. Для достижения этой цели лаборатория Санеса использовала секвенирование РНК отдельных клеток для создания нейроклеточных атласов для различных видов животных, включая приматов, грызунов, рыб, птиц и других. Путем сравнительного анализа общих типов клеток у этих видов исследователи могут получить представление об эволюционных силах, которые сыграли ключевую роль в формировании различных структур сетчатки.

Ссылка на источник

Aboozar Monavarfeshani et al, Transcriptomic analysis of the ocular posterior segment completes a cell atlas of the human eye, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2306153120