Amerykańscy naukowcy opracowali szczegółową, interaktywną mapę komórki kostniakomięsaka – nowotworu tkanki kostnej. Mapa pokazuje, w jaki sposób tysiące białek organizuje się i współpracuje ze sobą. W pracach naukowcom pomogła sztuczna inteligencja.
Autorzy badań twierdzą, iż opracowana przez nich mapa jest najdokładniejszą mapą komórki, jaka kiedykolwiek powstała. Przy jej tworzeniu uczeni wykorzystali modele sztucznej inteligencji oraz zaawansowane narzędzia do obrazowania. Podczas prac odkryli nieznane wcześniej funkcje białek i zidentyfikowali najważniejsze kompleksy komórkowe związane z nowotworami wieku dziecięcego. Ta mapa nie tylko zmienia sposób badania komórek, ale może również przekształcić nasze rozumienie chorób na poziomie molekularnym.
Wyniki oraz opis prac ukazał się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-025-08878-3).
U2OS Cell Map
Od czasu wynalezienie mikroskopu ponad 400 lat temu naukowcy próbują podglądać, co się dzieje w ludzkich komórkach. I choć komórki badane są już od bardzo długiego czasu, to przez cały czas jest wiele mechanizmów, o których mało wiadomo. – Znamy wszystkie białka występujące w naszych komórkach, ale to, jak się ze sobą łączą, aby pełnić funkcję komórki, przez cały czas pozostaje w dużej mierze nieznane w przypadku różnych typów komórek – przyznała dr Leah Schaffer z University of California w San Diego.
Schaffer wraz ze swoim zespołem oraz z kolegami ze Stanford University, Harvard Medical School i University of British Columbia wykorzystała mikroskopię o wysokiej rozdzielczości do zmapowania wewnętrznej struktury komórki U2OS. To linia komórkowa ludzkiego kostniakomięsaka. Kostniakomięsak, określany też jako mięsak kościopochodny, to grupa pierwotnych nowotworów złośliwych. To rzadki nowotwór, który dotyczy głównie młodych osób. Występuje też u zwierząt.
W swoich pracach badacze ustalili też, jak białka organizują się w takich komórkach. To w połączeniu z danymi na temat interakcji między białkami pozwoliło stworzyć szczegółową, interaktywną mapę – U2OS Cell Map.
U2OS Cell Map ujawnia wcześniej nieznane funkcje białek i oferuje nowe spojrzenie na to, w jaki sposób mutacje mogą powodować choroby, takie jak nowotwory. Mapa zapewnia również ramy do tworzenia podobnych atlasów innych typów komórek.
Nowe odkrycia
– Na podstawie podręczników do biologii komórki i zdjęć komórek można by pomyśleć, iż rozumiemy wszystko na temat komórki. Ale niezwykłe jest to, iż dla żadnego typu ludzkich komórek nie mamy odpowiedniego katalogu części ani instrukcji montażu – powiedział Trey Ideker z University of California w San Diego, współautor publikacji.
W swoich pracach naukowcy wyizolowali poszczególne białka i zbadali interakcje między nimi. Przeanalizowali ponad 20 tys. obrazów wnętrza komórek, gdzie białka były oznaczone barwnikiem fluorescencyjnym. Połączenie tych danych dla ponad 5100 białek ujawniło 275 odrębnych kompleksów białkowych o różnych rozmiarach w komórkach U2OS.
– Historycznie naukowcy byli stronniczy w przekonaniu, iż jeden gen koduje jedno białko, które ma jedną funkcję. Jednak w tej chwili istnieje coraz większa liczba znanych wielofunkcyjnych białek i chociaż prawdopodobnie przez cały czas nie doceniamy ich liczby, to badanie pokazuje znaczenie integracji danych multimodalnych w celu ujawnienia tych wielofunkcyjnych adekwatności – przyznała Emma Lundberg ze Stanford University, współautorka badań.
Nieznane wcześniej funkcje białek
Prace zaowocowały odkryciem 975 wcześniej nieznanych funkcji białek. Na przykład, niedawno odkryte białko C18orf21, którego funkcja była wcześniej nieznana, wydaje się być zaangażowane w przetwarzanie RNA. Z kolei białko DPP9, o którym wiadomo, iż tnie białka w określonych regionach, okazało się być również zaangażowane w walkę z infekcjami poprzez swój związek z interferonami.
Mapa oferuje też nowy sposób na zrozumienie mutacji nowotworowych. Dzięki niej badacze zlokalizowali zmutowane białka i zidentyfikowali 21 kompleksów często mutujących w nowotworach wieku dziecięcego. 102 zmutowane białka w obrębie tych grup okazały się silnie powiązane z rozwojem nowotworów. Wyniki mają implikacje dla sposobu prowadzenia badań nad nowotworami na poziomie molekularnym i komórkowym.
Przeglądanie komórki jak w Google Maps
Schaffer przyznała, iż przeglądanie mapy komórek U2OS jest podobne do nawigacji po internetowej mapie geograficznej technologicznego giganta. – Można eksplorować, powiększać i obserwować, jakie białka są częścią różnych społeczności, a następnie zobaczyć, gdzie te społeczności się znajdują – powiedziała.
W opracowaniu mapy badaczom pomógł system GPT-4, podobny do ChatGPT. System wchłoną wcześniej ogromną bazę wiedzy z literatury naukowej dotyczącej białek. Pytając GPT-4 o funkcję poszczególnych białek i sposób, w jaki współdziałają one w kompleksach białkowych, system w ułamku sekundy daje odpowiedź. Naukowcom takie zadanie zajęłoby sporo czasu.
Badacze uważają, iż atlas komórek U2OS nie tylko ułatwi lepsze zrozumienie nowotworów wieku dziecięcego, ale także zapewni fundament dla naukowców, którzy chcą mapować inne typy komórek, używać narzędzi sztucznej inteligencji do odkrywania funkcji słabo poznanych białek i kompleksów białkowych oraz rozszyfrowywać mechanizmy stojące za szeroką gamą procesów chorobowych.
Źródło: University of California, San Diego, fot. Human Protein Atlas, Stanford University
