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CRGEM:細胞再プログラミングの新しいツール

CRGEMは再生医療における細胞の変換を改善するための構造化されたアプローチを提供してるよ。

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CRGEM:細胞の再プログCRGEM:細胞の再プログラミングを変革するグの効率を高める。新しいワークフローが細胞の再プログラミン
目次

再生医療は、現在効果的な治療法がない病気を治すことに焦点を当てた成長中の分野だよ。この医学の枝の主な目標は、損傷したり病気になった細胞、組織、臓器を修復または置き換えることなんだ。これによって体の正常な機能を回復できるかもしれないよ。

複雑な組織や臓器を作るためには、まず特定のタイプの健康な細胞を生成する必要がある。そのためには、幹細胞を特定の細胞タイプに変換したり、一種類の細胞を別のものに直接変換するなど、さまざまな方法があるんだ。

転写因子の役割

細胞は、転写因子(TF)と呼ばれるタンパク質とそのターゲット遺伝子の助けで、独自の特徴や行動を維持している。このTFたちは、遺伝子の発現をどう制御するかを決める。細胞の一種を別のものに変えるときには、特定のTFの活動を調節することが大事。でも、特定のTFを見つけるのがすごく大変で、人間には約19,000のタンパク質コーディング遺伝子と約1,600のTFがいるんだ。

今のTF選択の方法は、以前の知識やトライアル&エラーに基づいていることが多くて、再プログラミングの効率が低かったり、腫瘍の成長や新しい細胞の免疫拒絶反応のような問題が起こる可能性があるんだ。

シングルセルRNAシーケンシングの進展

最近の技術、シングルセルRNAシーケンシング(scRNA-seq)を使うと、研究者は個々の細胞における遺伝子活性について詳細な情報を集められる。この技術によって、さまざまな細胞タイプの特性や、遷移の過程での変化を見られるんだ。これを使って、研究者は細胞の望ましい再プログラミングに必要なTFを特定できるんだ。

いくつかの計算ツールがあって、このシングルセルデータを利用して、成功する細胞の再プログラミングに必要なTFの活動の変化を予測することができる。ただ、これらの予測は、基礎的な分子プロセスの理解が明確でないことが多いから、臨床の場で使うと悪影響が出るかもしれないね。

CRGEMの導入

これらの課題に対処するために、CRGEMという新しい分析ワークフローが導入されたよ。CRGEMは、細胞の再プログラミングにおけるTFの調節についての情報に基づいた予測を生成することを目指してるんだ。

CRGEMは、このプロセスをサポートするために、3つの異なる計算ツールを組み合わせている。まず1つ目は、どのTFの調節が必要かについて仮説を生成するツール。2つ目は、これらの提案された遺伝子が再プログラミングプロセスでどれだけ重要かを理解する助けをするツール。最後の3つ目は、新しい細胞タイプの遺伝子調節ネットワークのコンテキストでTFの調節を分析して、予測の背後にあるメカニズムについての洞察を提供するツールなんだ。

データセットを使ったCRGEMのテスト

CRGEMワークフローは、人間の包皮線維芽細胞(HFF)と人間の中脳発達の細胞を使った研究から得たデータセットを使ってテストされた。HFF細胞が出発点となって、ワークフローの目標は、HFF細胞を動眼神経(hOMTN)という特定の中脳ニューロンに変換する方法を予測することなんだ。

ワークフローのステップを分解

仮説生成

CRGEMの最初の部分では、TransSynWという計算ツールが、望ましい細胞の変化を達成するために必要なTFの調節を予測する。これには、出発点とターゲットの細胞タイプの遺伝子発現データが必要なんだ。

TransSynWは、再プログラミングプロセスに必要なコアTFを特定するよ。これらのTFは、遺伝子発現の変化のためにDNA構造を開くのを助けるパイオニアTFと、出発点とターゲットの細胞タイプに特有のTFに分けられる。また、TransSynWは、新しい細胞がターゲット細胞タイプに効果的に変化したかどうかを示すマーカー遺伝子も予測するんだ。

擬似時間軌道分析

次のステージでは、PAGAというツールを使って擬似時間軌道を作る。これによって、HFFからhOMTNへの細胞の遷移を視覚化するんだ。この軌道に沿った遺伝子発現データを調べることで、細胞が一種から別の種に移るときのTFの変化を見られる。

HFFからhOMTNへの変換の場合、特定のTFが発現パターンの明確な変化を示し、再プログラミングプロセスにおける重要性がわかるんだ。

遺伝子調節ネットワークの分析

CRGEMの最終ステージでは、SIGNETというツールを使ってターゲット細胞タイプの遺伝子調節ネットワーク(GRN)を予測する。このツールは、特定のTFとターゲット遺伝子の相互作用を明らかにして、これらの相互作用が細胞の再プログラミングにどう影響するかを示すよ。

さらに、特定された遺伝子の調節相互作用に関する情報を集めるために、転写調節ネットワークのデータベースも参照される。その情報を組み合わせて、遺伝子発現に対する主要な要素とその影響を示す包括的な遺伝子調節ネットワークを作るんだ。

結論

出発細胞タイプを望ましいターゲット細胞タイプに効率よく再プログラミングすることは、再生医療において重要なんだ。CRGEM分析ワークフローは、成功する細胞の再プログラミングに必要なTFの調節について情報に基づいた仮説を生成し、その背後にあるメカニズムに洞察を得るためにいくつかの計算ツールを統合しているよ。

CRGEMを使うことで、研究者は遺伝子発現データの複雑さをよりうまくナビゲートできて、細胞変換のためのより効果的なプロトコルを開発できるんだ。このワークフローは、細胞の再プログラミング方法を分析して洗練するための構造的アプローチを提供していて、効率の低さや不要な細胞特性に関連するリスクといった一般的な課題を克服する可能性があるんだ。

将来の研究では、CRGEMをさらに発展させて、追加のツールやリソースを組み込むことで、新たな洞察や進展が生まれるかもしれないよ。この分野が進化し続ける中で、先進的な細胞技術を使って損傷した組織や臓器を修復または置き換える可能性は、探索の有望な道のりとして残っているんだ。

オリジナルソース

タイトル: CRGEM: Cellular Reprogramming using mechanism-driven Gene Expression Modulation

概要: IntroductionRegenerative medicine promises a cure for currently incurable diseases and pathological conditions. Its central idea is to leverage healthy cells to regenerate diseased cells, tissues or organs through the process of cellular reprogramming. The most common method to achieve this is by modulating the activity of specific transcription factors. However, the large number of protein-coding genes and transcription factors in humans and their complex interactions poses a challenge in identifying the most suitable ones for modulation. Here, we propose a computational workflow that facilitates the prediction of such transcription factors for achieving desired cellular reprogramming, along with highlighting their mechanistic basis in terms of the gene regulatory network of the target cell type. MethodsIn this paper, we propose a synergistic workflow that leverages existing computational tools: TransSynW, PAGA and SIGNET, a software - Cytoscape and two databases - TRRUST and UniProt. It uses single-cell transcriptome data of the starting and target cell types as inputs. We demonstrate this workflow by predicting suitable transcriptional modulations for reprogramming of human foreskin fibroblasts to oculomotor neurons. ResultsUsing the workflow, we hypothesized the core drivers for specific cellular reprogramming along with their functional understanding for experimental applications. The workflow predicted the transcription factors for modulation and provided insight into their differential expression dynamics and influence on the predicted gene regulatory network of the target cells. ConclusionOur computational workflow helps extract meaningful predictive and mechanistic insights from high-dimensional biological data, which otherwise is difficult to accomplish from individual tools alone. We believe this workflow can help researchers generate mechanistically founded hypotheses for achieving desired cellular reprogramming as a step towards regenerative medicine. HighlightsO_LICombine computational tools as workflows to gain predictive and mechanistic insights C_LIO_LIThe workflow predicts suitable transcription factors for targeted cellular reprogramming C_LIO_LIGain insight into the influence of transcriptional modulation on gene regulatory network C_LIO_LIThe workflow generates mechanistically founded hypotheses for transcriptional modulation C_LIO_LIRationalized experimental design for targeted cellular reprogramming for regenerative therapies C_LI

著者: Vivek Singh, A. Mahadik, Nitin, J. Jose

最終更新: 2024-04-02 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.12.540496

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.12.540496.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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