개요
16세기에 벨기에의 지도 제작자 아브라함 오르텔리우스(Abraham Ortelius)는 세계 최초의 현대 지도책, 즉 그가 "세계의 극장"이라고 부르는 지도 모음집을 만들었습니다. 오르텔리우스(Ortelius)와 다른 사람들이 그린 지도는 당시 세계 대륙, 도시, 산, 강, 호수 및 바다에 대한 최고의 지식을 자세히 설명하고 세계 지리에 대한 새로운 이해를 안내하는 데 도움이 되었습니다.
마찬가지로, 세포 지도(세포 단위로 구성된 기관과 신체의 지도)의 생성은 생물학에 대한 이해의 새로운 시대를 예고하고 있습니다. 지난 XNUMX년 동안 발명된 강력한 시퀀싱 및 영상 기술은 췌장과 간에서 태반에 이르기까지 인간의 장기와 조직의 구성뿐만 아니라 생쥐와 초파리와 같은 다른 동물의 구성도 전례 없이 자세하게 밝혀냈습니다. 이러한 새로운 도구를 사용하여 연구자들은 어떤 유전자를 발현하는지에 따라 개별 세포의 지문을 확인할 수 있습니다. 그 정보는 세포들 사이의 미묘하고 예상치 못한 차이를 밝혀냈으며, 세포 유형의 다양성이 기관의 건강한 기능에 어떻게 필수적인지 밝히기 시작했습니다.
“우리는 이제 이러한 세포 유형의 구성을 이해할 수 있는 과학의 놀라운 시점에 있습니다.”라고 말했습니다. 스티브 퀘이크, 스탠포드 대학의 생명 공학자이자 생물 물리학자인 그는 세포 지도책을 가능하게 하는 기술 개발에 도움을 주었습니다. "인간 생물학의 작동 방식을 이해하는 방식이 바뀌었습니다."
국립보건원(National Institutes of Health)의 일부인 두 가지 세포 아틀라스 노력 250억 XNUMX천만 달러 규모의 뇌세포 인구 조사, 방금 발표된 연구 결과는 현장에서 끓어오르는 흥분을 보여줍니다. 오늘은 자연, 실험실 연합은 집합적으로 형성되는 XNUMX개의 연구를 발표했습니다. 쥐 뇌의 상세한 지도책 — 현재까지 가장 포괄적인 포유류 뇌 지도입니다. 이는 기관 전체에서 발견되는 5,300가지 이상의 세포 유형을 설명합니다. 이 세포들이 어떻게 분포되어 있고 서로 관련되어 있는지는 포유류 뇌의 진화에 대한 많은 흥미로운 아이디어를 제시합니다.
지난 달, 글로벌 협력 네트워크가 셀 아틀라스 프로젝트에 대한 또 다른 획기적인 기여를 발표했습니다. 서류 한 벌 in 과학 인간 두뇌의 놀라운 세포 다양성과 복잡성을 기록한 저널입니다. 과학자들이 기관 전체의 세포 샘플만을 프로파일링했기 때문에 완전한 지도책은 아닙니다. 그럼에도 불구하고 이 책은 지금까지 만들어진 인간 두뇌에 대한 가장 상세한 지도를 제공합니다.
개요
이러한 연구로 인해 인간의 뇌에는 최소 3,300개의 서로 다른 유형의 뉴런이 포함되어 있으며 각각은 서로 다른 유전자 집합을 표현한다는 것이 분명해졌으며 이는 세포가 약간 다른 범위의 기능을 수행할 수 있음을 암시합니다. 이러한 다양성의 대부분은 덜 연구되고 진화론적으로 더 오래된 뇌 영역에 있는 것으로 밝혀졌습니다.
이 인간 뇌 세포 지도책은 단지 초기판일 뿐입니다. 과학자들이 뇌의 모든 단일 세포를 집계하고 분류하는 작업을 계속하면서 수천 개의 추가 세포 유형을 식별할 가능성이 높습니다.
다양한 세포를 찾아 설명하는 것은 첫 번째 단계일 뿐입니다. 그런 다음 과학자들은 세포가 어떤 기능을 수행하고 어떻게 서로 결합하는지 알아내야 합니다. 이러한 이유로 Quake와 다른 연구진은 인체 전체의 세포 지도를 완전한 인간 세포 지도로 엮기 위해 노력하고 있습니다. 이는 조직이 잘못되어 원인이 되는 특정 세포를 분리하는 데 도움이 될 수 있는 인간에 대한 전체적인 참조 지도입니다. 다양한 질병. 작업 상황을 잘 알고 있는 연구자에 따르면, 이 지도책의 첫 번째 초안은 지금으로부터 약 XNUMX년 후에 출판될 가능성이 높습니다.
아직 초기 단계이지만 과학자들은 이 지도가 세포, 세포의 기능, 유기체의 수명에 따른 변화에 대한 근본적인 질문에 답할 것이라고 예측합니다. “어떤 면에서 이것은 인간 게놈 프로젝트와 거의 같은 믿음의 도약입니다.”라고 말했습니다. 마이클 안젤로, 스탠포드 병리학 부교수. 그러나 “그것은 매우 정당한 믿음의 도약이다.”
세포의 독특한 표현
불과 몇 년 전까지만 해도 대부분의 연구자들은 현미경으로 우리 조직을 분석한 결과 대략적인 결과가 나올 것이라고 믿었습니다. 36 조 세포 성인 인체의 세포는 세 가지 유형의 근육 세포, 피부의 상피 및 섬유아세포, 신경계의 다양한 종류의 뉴런, 혈관을 둘러싸는 내피 세포 등 단지 수백 가지 유형으로 분류될 수 있습니다. 그러나 인간 게놈 프로젝트의 성공으로 인해 연구자들은 유전적 수준에서 우리의 세포 구성을 더 깊이 살펴볼 수 있게 되었습니다.
개요
우리 세포의 차이는 유전자 자체의 차이에서 오는 것이 아닙니다. 신체의 모든 세포에는 고유한 DNA의 복사본과 이것이 암호화하는 단백질을 만드는 데 필요한 20,000개의 유전자가 포함되어 있습니다. “게놈은 부품 목록입니다.”라고 Quake는 말했습니다. "주어진 게놈에서 어떤 세포 유형이 나오는지 예측할 방법이 없습니다."
분자 수준에서 백혈구와 근육 세포를 구별하기 위해 과학자들은 세포의 RNA를 살펴봐야 합니다. DNA 서열에서 복사된 RNA 전사체는 단백질을 만드는 지침을 세포의 단백질 구성 센터인 리보솜으로 전달합니다. 따라서 RNA 전사체에는 특정 세포에서 어떤 유전자가 활성화되고 발현되는지에 대한 정보가 포함되어 있습니다.
강력한 단일 세포 유전체학 도구 세트를 사용하여 과학자들은 이러한 발현 패턴을 읽고 세포의 지문을 확인할 수 있습니다. 이러한 도구는 지난 몇 년 동안 발전하여 이제 과학자들은 단일 실험에서 수만 또는 심지어 수백만 개의 세포를 빠르고 효율적으로 볼 수 있습니다.
“일단 그것이 자리를 잡게 되면, 아틀라스를 만드는 것을 막을 수 있는 것은 아무 것도 없습니다.”라고 Quake는 말했습니다. "모든 것이 계단식으로 이루어졌습니다."
세포 지도책이 쏟아져 들어오기 시작했습니다. 과학자들은 개별 세포의 유전자 발현을 조사하는 것부터 시작했습니다. 모델 유기체 초파리나 생쥐처럼 말이죠. 그 이후로 그들은 인간에게로 옮겨갔습니다. 지난 XNUMX년간의 지도 혈관, 종양, 태반, 신장 및 내장, 다른 조직 중에서 유명한 저널에 출판되었습니다. 이러한 지도책 중 다수는 세포의 정체성을 조사했을 뿐만 아니라 해당 세포가 조직 내 어디에 위치했는지 정확하게 지도화했습니다. 이는 어떤 세포가 질병과 관련되어 있는지 이해하는 데 중요한 정보입니다.
“수집된 데이터의 양이 어마어마합니다.” 엘리자베스 레아, 워싱턴 대학의 연구 조교수이며 셀 아틀라스 노력에는 관여하지 않습니다. 그녀는 기술이 얼마나 빠르게 발전했는지 생각해 보았습니다. 12년 전 Vanderbilt University의 대학원생이었던 Rhea는 발달 중인 쥐의 뇌와 간에서 단일 유전자의 발현을 조사했습니다. 이제 우리는 그렇게 할 수 있지만 조직 덩어리 내의 모든 세포에서 발현되는 모든 유전자에 대해서는 그렇게 할 수 있다고 그녀는 말했습니다.
각각의 새로운 세포 지도를 통해 연구자들은 이전에 얼마나 많은 복잡성이 누락되었는지 계산해야 했습니다. 때때로 Angelo는 데이터를 검토하면서 끝없이 반복되는 프랙탈 비디오를 보는 듯한 느낌을 받았다고 그는 말했습니다. 계속 확대하면 패턴이 무한정 계속됩니다. 더 많이 발견할수록, 더 많은 것을 발견할 수 있다는 것을 깨닫게 됩니다. "이런 것 중 상당수는 다소 어려운 일입니다."
이는 많은 인간 기관, 특히 뇌에서 사실로 입증되었습니다.
놀라운 다양성
인간 두뇌의 구조와 기능이 복잡하기 때문에 이를 이해하는 능력이 제한되어 있습니다. 86억 개의 뉴런은 몸 전체의 생각, 인식, 감정 및 중요한 기능에 활력을 불어넣는 작은 불꽃입니다. 파비안 테이스여러 아틀라스 연구에 참여하고 있지만 뇌 아틀라스에는 관여하지 않은 헬름홀츠 뮌헨 컴퓨터 건강 센터 소장은 한 동료가 그에게 뇌가 별도의 유기체와 같다고 말한 것을 기억합니다. “100개의 장기가 하나로 합쳐진 것과 같습니다.”라고 그는 말했습니다.
클라우디아 도에지컬럼비아 대학의 병리학 및 세포생물학 부교수도 이러한 견해에 동의했습니다. “그 큰 혼란을 헤쳐나가려면 많은 사람을 모아야 합니다.”라고 그녀는 말했습니다.
Doege는 체온, 심박수, 배고픔과 같은 기본적인 신체 기능을 제어하기 위해 진화한 뇌의 고대적이고 중요한 부분인 시상하부를 연구합니다. 2020년에 그녀는 시상하부 조직에서 수집된 뇌 지도 데이터를 해석하는 데 도움을 달라는 요청을 받았습니다. 이는 드물게 샘플링되는 뇌 영역을 조사할 수 있는 드문 기회입니다.
“엄청난 작업”이었다고 한다 한나 글로버, Doege 연구실의 박사후 연구원입니다. 간헐적으로 컴퓨터에 욕설을 퍼붓는 글로버는 몇 달에 걸쳐 문헌과 참고 지도책을 샅샅이 뒤져 뇌의 여러 영역에서 발현되는 유전자를 확인하고 이를 새로 분석된 시상하부에서 발견된 유전자와 비교했습니다.
분석 결과 “극도의 다양성”이 드러났다고 Doege는 말했습니다. 그들은 시상하부 내의 350개 다른 영역에서 19개 이상의 서로 다른 뉴런 집단과 10개의 비뉴런 세포 집단을 확인했습니다.
뇌세포 인구 조사를 연구하는 다른 연구 그룹도 이를 뒷받침했습니다. 레베카 호지, 시애틀에 있는 Allen Institute for Brain Science의 보조 연구자이며 여러 가지 새로운 논문을 공동 집필했습니다. 과학 논문에서는 또한 대부분의 세포 유형이 진화론적으로 오래된 뇌 부분에 위치한다는 사실을 발견했습니다.
Hodge는 비판적 사고와 같은 고차원 기능이 발생하는 뇌 영역을 언급하면서 “그것은 피질 외부에 세포 다양성이 너무 많다는 최초의 설명 중 하나였습니다.”라고 말했습니다. "아마도 실제 세포 다양성이 무엇인지에 대한 표면을 긁는 것일 것입니다."
개요
연구팀은 뇌 전체에서 3,300개 이상의 서로 다른 유형의 뉴런을 발견했는데, 그 설명은 확실히 불완전합니다. 오늘 발표된 쥐 뇌의 가장 포괄적인 지도책은 뉴런과 신경교를 포함해 5,300개의 세포 유형을 식별했습니다. 프로젝트에서 수질과 같은 일부 영역의 세포 인구 조사 데이터가 누락되었습니다. 그럼에도 불구하고 연구자들은 인간 두뇌의 전체 세포 유형을 종합해 보면 비슷할 것이라고 생각합니다.
“우리는 쥐의 뇌에 비해 인간의 뇌에는 세포 유형이 그다지 많지 않을 것이라고 생각합니다.” 젱 홍쿠이쥐의 뇌세포 아틀라스 연구를 이끈 앨런 뇌과학연구소 소장. 연구자들은 이미 두 종의 뇌 지도 데이터 세트를 비교했으며, 그녀가 본 내용을 토대로 Zeng은 인간 뇌의 세포 유형이 "아마도 5,000~10,000개 사이"일 것으로 개인적인 추정을 내렸습니다.
쥐의 뇌 작업은 세포 유형을 열거하는 것 이상을 수행합니다. 또한 이러한 세포를 뇌 영역의 맥락에 배치합니다. 탐색 가능한 지도책으로. 추가된 위치 정보로부터 연구자들은 흥미로운 새로운 결론을 도출했습니다.
그들은 인간의 뇌에서와 마찬가지로 시상하부와 편도체와 같은 쥐 뇌의 더 오래된 영역에 세포 다양성의 대부분이 포함되어 있음을 발견했습니다. 그러나 이러한 다양한 세포 유형은 서로 밀접하게 관련되어 있으며 차이점이 상대적으로 적습니다. 대조적으로, 소뇌 및 시상과 같이 진화적으로 더 새로운 뇌 영역은 전체적으로 더 적은 수의 세포 유형을 포함합니다. 그러나 그들의 세포 유형은 서로 매우 다르며 각 뇌 영역에는 고유한 세포 유형이 포함되어 있습니다.
저자들은 고대 시상하부가 신진대사, 호흡, 생식 등 생명 유지에 중요한 기본 기능을 수행하기 때문에 진화적으로 제약을 받았다고 가정했습니다. 진화하는 데 더 오랜 시간이 걸렸고 결과적으로 더 많은 세포 유형이 생겼지만 세포는 기본 유형에서 너무 멀리 표류할 수 없었습니다. Zeng은 “회로가 잘 확립되어 있어 변경할 때마다 동물의 생명이 위태로워질 수 있습니다.”라고 말했습니다.
개요
반면에 피질과 같은 새로운 뇌 영역은 동물이 새로운 환경과 도전에 적응하는 데 도움이 되는 인지 및 감정과 같은 기능을 수행한다고 그녀는 말했습니다. 이러한 덜 제한적인 뇌 영역은 더 빠르고 더 멀리 진화할 수 있었으며 그 결과 해당 영역에 고유한 뇌 세포 유형이 생겼습니다.
쥐 뇌에서 얻은 발견은 인간 뇌 지도가 완성되었을 때 과학자들이 어떤 발견을 하게 될지 미리 보여줍니다. 이미 인간의 연구는 “이전에는 아무도 몰랐던 뇌 진화에 관한 기본적인 사실”을 제공하고 있다고 말했습니다. 토마스 나셀라리스, 미네소타 대학의 부교수이며 아틀라스 작업에는 참여하지 않습니다. “이 새로운 사실이 인간 인지의 진화에 어떤 의미를 갖는지 아는 사람은 아무도 없습니다. 하지만 누구도 몰랐던 아주 기본적인 사실이기 때문에 나중에 중요한 사실이 될 수도 있다”고 말했다.
결국 연구자들은 이러한 새로운 뇌 지도의 세포 세부사항을 신경 장애 치료 개선을 위한 지침으로 사용할 계획입니다. Hodge는 “이 지도책을 만드는 데 있어서 중요하다고 생각하는 것 중 하나는 질병의 맥락에서 상황이 어떻게 변화하는지 이해하기 위한 기준선이나 참고 자료를 제공한다는 것입니다.”라고 말했습니다.
예를 들어, 수십 년간의 연구에도 불구하고 과학자들은 여전히 실제로 알지 못합니다. 알츠하이머병의 원인. 뇌 구성에 대한 지나치게 단순화된 지도로 인해 장애에 대한 우리의 이해가 방해를 받을 가능성이 있습니다. 세포 지도의 특이성은 연구와 약물 치료를 더욱 정확하고 영향력 있게 만들 수 있습니다.
전신으로 가는 다리
뇌세포 아틀라스 내부의 발견만으로도 어지러울 정도입니다. 하지만 다른 셀 아틀라스에서도 비슷한 추세가 발견되고 있다는 점을 고려하세요. 기관마다 연구자들은 예상했던 것보다 더 다양한 세포 유형을 발견하고 있는 것 같습니다. 이러한 발견은 조직의 건강한 기능이 종종 약간 다른 역할을 수행하는 세포의 올바른 조합에 달려 있음을 시사합니다. 따라서 각각의 개별 세포 아틀라스는 신체의 한 부위와 그 부위에서 잘못될 수 있는 모든 것을 이해하기 위한 거의 계산할 수 없는 새로운 가능성을 제공합니다.
일부 연구자들은 더 큰 목표를 염두에 두고 있습니다. 즉, 모든 지도를 함께 연결하여 무엇인가를 만들고 싶어합니다. 로저 벤토-토르모Wellcome Sanger Institute의 세포 유전학 그룹 리더인 , 인체의 '구글 지도'와 비교했습니다.
오르텔리우스의 노력의 생물학적 버전처럼, 인간 세포 아틀라스 프로젝트는 전 세계 과학자들이 제공한 참고 지도를 연결하여 인체의 36조 개 세포 전체를 포괄하는 지도 초안을 작성하는 작업을 진행하고 있습니다. 2016년에 설립된 이 프로젝트에는 현재 2,300명 이상의 협력자와 국립보건원, 유럽연합 등 유명 자금 제공자와 기타 여러 과학 및 민간 단체가 참여하고 있습니다.
인간 세포 지도의 첫 번째 버전은 감질나게도 큰 공개에 가까워졌습니다. Vento-Tormo는 이 작업이 약 XNUMX년 안에 완료되어야 한다고 말했습니다. 모든 인간 세포 유형의 프로필을 포함할 가능성은 거의 없습니다. 최초의 지리 지도집이나 최초로 출판된 인간 게놈과 마찬가지로, 최초의 인간 세포 지도집도 출시 시점에는 불완전할 것이지만 반복적으로 개정할 계획입니다. Vento-Tormo는 "우리는 시작 단계에 있습니다."라고 말했습니다.
미래의 세포 지도책은 아마도 세포의 정체성을 더 깊이 조사할 것입니다. 대부분의 세포 지도는 "세포 내 유일한 종류의 RNA도 아닌" 메신저 RNA만을 보고 있다고 Quake는 말했습니다. 또한, 발현된 유전자가 반드시 특정 단백질이 세포에 존재한다는 것을 의미하는 것은 아닙니다. 미래의 목표는 단일 세포에 어떤 단백질과 기타 분자 산물이 존재하는지에 대한 데이터를 수집하는 것이라고 Rhea는 말했습니다.
최초의 전체 인간 세포 지도가 완성된 후에도 작업은 완료되지 않습니다. Human Cell Atlas 프로젝트의 핵심 목표는 인간 다양성의 전체 범위를 표현하는 것입니다. 이를 위해서는 세포 다양성을 완전히 매핑하기 위해 전 세계 인구의 많은 샘플이 필요합니다. 이러한 샘플은 성별, 연령, 조상, 질병 상태 등 다양한 다양성 축을 고려해야 합니다.
앞으로 놓여 있는 어려운 작업은 현재 지도책에 대한 연구자들의 흥분을 식힐 수 없습니다. Angelo는 “향후 XNUMX~XNUMX년 동안 이 모든 일이 어떻게 될지 지켜보는 것은 매우 흥미로울 것입니다.”라고 말했습니다. 이미 이 지도책의 첫 번째 판은 우리가 기본 생물학에 대해 얼마나 배워야 하는지를 밝히는 동시에 완전히 새로운 질문을 제기하고 있습니다. 이는 새로운 과학 혁명의 시작을 알리는 분명한 신호입니다.
Naselaris는 “우리는 이러한 노력을 통해 확실히 많은 것을 배울 것입니다.”라고 말했습니다. "우리는 대부분의 중요한 질문을 공식화하는 데 필요한 기본 사실이 부족하기 때문에 무엇을 배울지 모릅니다." 강, 산, 때로는 전체 국가가 누락된 지리학자의 첫 번째 지도책과 마찬가지로 이 지도책은 앞으로 나올 내용에 대한 초기 초안입니다.
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- 출처: https://www.quantamagazine.org/new-cell-atlases-reveal-untold-variety-in-the-brain-and-beyond-20231213/
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