L’IA révèle des organismes auparavant inconnus – nous ne savons peut-être pas la moitié de ce qu’il y a dans nos cellules

Des chercheurs de l’UC San Diego ont introduit la cellule intégrée à plusieurs échelles (MuSIC), une technologie qui combine la microscopie, la biochimie et l’intelligence artificielle, et révèle des composants cellulaires auparavant inconnus qui peuvent fournir de nouveaux indices sur le développement humain et la maladie. (Présentation conceptuelle de l’artiste.) Crédit : UC San Diego Health Sciences

La technologie basée sur l’IA révèle des composants cellulaires auparavant inconnus qui peuvent fournir de nouveaux indices sur l’évolution et la maladie humaines.

La plupart des maladies humaines peuvent être attribuées à des parties défectueuses de la cellule – une tumeur peut se développer parce qu’un gène n’a pas été traduit avec précision en une protéine spécifique ou une maladie métabolique survient parce que les mitochondries ne s’activent pas correctement, par exemple. Mais pour comprendre quelles parties d’une cellule peuvent mal tourner dans une maladie, les scientifiques ont d’abord besoin d’une liste complète des parties.

En combinant les techniques de microscopie, de biochimie et d’intelligence artificielle, les chercheurs de la faculté de médecine de l’Université de Californie à San Diego et leurs collaborateurs ont fait ce qu’ils pensent être un grand pas en avant dans la compréhension des cellules humaines.

La technologie, connue sous le nom de Multi-Scale Integrated Cell (MuSIC), a été décrite le 24 novembre 2021 dans tempérer la nature.

« Si vous imaginiez une cellule, vous imagineriez probablement le diagramme en couleurs dans un livre de biologie cellulaire, avec les mitochondries, le réticulum endoplasmique et le noyau. Mais est-ce toute l’histoire ? Trey Edecker, PhD, professeur à l’Université de Californie, San Diego School of Medicine et le Morris Cancer Center, ont déclaré. « Certainement pas. » « Les scientifiques reconnaissent depuis longtemps qu’il y a plus que nous ne savons pas, mais nous avons maintenant un moyen d’aller plus loin. »

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Ideker a dirigé l’étude avec Emma Lundberg, Ph.D., du KTH Royal Institute of Technology de Stockholm, en Suède, et de l’Université de Stanford.

Cellule classique contre MuSIC

À gauche : les diagrammes des cellules des manuels scolaires conventionnels indiquent que toutes les parties sont visibles et clairement marquées. (Crédit : OpenStax/Wikimedia). À droite : une nouvelle carte cellulaire générée par la technologie MuSIC révèle plusieurs nouveaux composants. Les nœuds dorés représentent les composants cellulaires connus, tandis que les nœuds violets en représentent les nouveaux. La taille des nodules reflète le nombre de protéines distinctes dans ce composant. Crédit : Université de Californie, Sciences de la santé de San Diego

Dans l’étude pilote, MuSIC a révélé près de 70 composants trouvés dans la lignée cellulaire rénale humaine, dont la moitié n’avait jamais été vue auparavant. Dans un exemple, les chercheurs ont découvert un groupe de protéines qui forment une structure inconnue. En travaillant avec Jin Yu, Ph.D., collègue de l’UCSD, ils ont finalement déterminé que la structure est un nouveau complexe de protéines qui se lient les unes aux autres. ARN. Le complexe est susceptible d’être impliqué dans l’épissage, un événement cellulaire important qui permet la traduction des gènes en protéines et aide à déterminer quels gènes sont activés et à quel moment.

L’intérieur des cellules – et les nombreuses protéines qui s’y trouvent – sont généralement étudiés en utilisant l’une des deux méthodes suivantes : la microscopie ou la corrélation biophysique. Par imagerie, les chercheurs ajoutent des étiquettes fluorescentes de différentes couleurs aux protéines d’intérêt et suivent leurs mouvements et associations dans le champ de vision du microscope. Pour examiner les connexions biophysiques, les chercheurs pourraient utiliser un anticorps spécifique à une protéine pour la retirer de la cellule et voir à quoi d’autre elle se lie.

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L’équipe s’intéresse depuis de nombreuses années à la cartographie du fonctionnement interne des cellules. Ce qui diffère de MuSIC, c’est l’utilisation de l’apprentissage en profondeur pour cartographier une cellule directement à partir d’images de microscopie cellulaire.

« La combinaison de ces techniques est unique et puissante car c’est la première fois que des mesures à des échelles complètement différentes sont combinées », a déclaré le premier auteur de l’étude, Yue Qin, étudiant diplômé en bioinformatique et biologie des systèmes au laboratoire d’Ideker.

Les microscopes permettent aux scientifiques de voir au niveau du micron, la taille de certains organites, comme les mitochondries. Les éléments plus petits, tels que les protéines individuelles et les complexes protéiques, ne peuvent pas être vus au microscope. Les techniques biochimiques, qui partent d’une seule protéine, permettent aux scientifiques d’atteindre l’échelle nanométrique. (Un nanomètre est un milliardième de mètre, ou 1 000 microns.)

Mais comment combler cet écart entre l’échelle du nanomètre et l’échelle du micron ? « Cela a toujours été un énorme obstacle dans les sciences biologiques », a déclaré Edeker, qui est également le fondateur de la University of California Cancer Cell Map Initiative et du San Diego Center for Computational Biology and Bioinformatics. « Il s’avère que vous pouvez le faire avec l’IA – en examinant les données de plusieurs sources et en demandant au système de les agréger dans un modèle de cellule. »

L’équipe a formé la plate-forme MuSIC AI pour examiner toutes les données et créer un modèle de cellule. Le système n’a pas encore mappé le contenu des cellules à des emplacements spécifiques, tels qu’un plan de manuel, en partie parce que leurs emplacements ne sont pas nécessairement fixes. Au lieu de cela, les emplacements des composants sont fluides et changent selon le type de cellule et la situation.

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Edecker a noté qu’il s’agissait d’une étude pilote du test MuSIC. Ils n’ont examiné que 661 protéines et un seul type de cellule.

« La prochaine étape évidente est d’infuser toute la cellule humaine, puis de passer à différents types de cellules, personnes et espèces », a déclaré Edecker. « En fin de compte, nous pourrons peut-être mieux comprendre la base moléculaire de nombreuses maladies en comparant ce qui est différent entre les cellules saines et malades. »

Référence : « Carte multi-échelle de la structure cellulaire incorporant des images de protéines et d’interactions » par Yu Chen, Edward L. Hotlin, Casper F. Winsens, Maya L. Guztaila, Ludivine Wachul, Marcus R. Kelly, Stephen M. Blue, Van Zing, Michael Chen, Leah F. Shaffer, Katherine Lecon, Anna Backstrom, Laura Pontano Weitz, John J. Lee, Wei Ouyang, Sophie N Liu, Tian Zhang, Erica Silva, Jisoo Park, Adriana Petty, Jason F. Kreisberg, Stephen B. Gigi, Jianzo Ma, J. Wade Harper, Jane W.U., Dennis LJ Lafontaine, Emma Lundberg et Trey Edecker, 24 novembre 2021, tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04115-9

Les co-auteurs sont : Maya L. Guztaila, Marcus R. Kelly, Stephen M. Adriana Pitea, Jason F. Kreisberg, UC San Diego ; Edward L. Hotlin, Laura Pontano Weitz, Tian Zhang, Stephen B. Gigi, J.; Wade Harper, faculté de médecine de Harvard ; Casper F. Winsnes, Anna Bäckström, Wei Ouyang, KTH Royal Institute of Technology ; Ludivine Wacheul, Denis LJ Lafontaine, Université Libre de Bruxelles ; et Jianzhou Ma, Université de Pékin.

Le financement de cette recherche provient, en partie, des National Institutes of Health (subventions U54CA209891, U01MH115747, F99CA264422, P41GM103504, R01HG009979, U24HG006673, U41HG009889, R01HL137223, R01HG004659 Erutling, R50CA2485Wall Grant 201702, Swedish Research Foundation, Swedish Research Foundation, 20160204). ), l’Université Libre de Belgique à Bruxelles, le Joint European Programme for Rare Diseases, la Région Wallonne, l’Internationale Brachet Stiftung et la Procédure Epitran COST (subvention CA16120).

Divulgations : Trey Ideker est cofondateur, membre du conseil consultatif scientifique et détient une participation dans Data4Cure, Inc. Jin Yu est co-fondateur et membre du conseil d’administration du conseil consultatif scientifique, actionnaire et conseiller rémunéré de Locanabio et Eclipse BioInnovations. Yu est également professeur invité à l’Université nationale de Singapour. Les termes de ces accords ont été examinés et approuvés par l’Université de Californie à San Diego conformément à ses politiques en matière de conflits d’intérêts. Emma Lundberg est membre des conseils consultatifs scientifiques de la cartographie biologique, de la biotechnologie Nautilus et de la thérapeutique interligne, et s’intéresse également à la cartographie biologique. J. Wade Harper est co-fondateur du Conseil consultatif scientifique et détient une participation dans Caraway Therapeutics. Harper est également le conseiller scientifique fondateur pour les thérapies interdisciplinaires.

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