Omics technikák: mérjünk mindent egyszerre

Miért fontosak az omics technikák az idegtudományban?
A klasszikus módszerekkel csak egy-egy génre vagy fehérjére tudtunk fókuszálni.
Az agy azonban nem így működik: rendszerek, hálózatok, sejtprogramok állnak össze a viselkedés mögött. A modern omics és multiomics technikák lehetővé teszik, hogy:
egyetlen sejtről több száz vagy ezer adatot kapjunk, az anatómiai helyzettel összevethető molekuláris térképeket készítsünk, a környezeti hatások (stressz, drogok, traumák, tanulás) okozta változásokat, szabályozómechanizmusok szintjén értsük meg. 

Bulk és egysejt-transzkriptomika (scRNA-seq)
Ennek a tébeli felbontása ez előzőnél finomabb. A technikával egyedi sejtek génexpressziós mintázatát tudjuk meghatározni. Nincs többé „átlagos molekuláris jel” egy agyterületből, helyette minden sejt külön molekuláris ujjlenyomatot kap. Különböző neuron- és gliasejttípusokat azonosíthatunk, megtudjuk fejlődési vonalaikat, érési folyamataikat. Megnézhetjük, hogy a tanulás, stressz, drogok hogyan módosítják az egyedi sejttípusok génaktivációját. Kereshetünk kóros sejttípusokat pl. epilepsziában, neurodegenerációban. A scRNA-seq lett az elmúlt 10 év legfontosabb sejtbiológiai technikája. A módszert bemutató YouTube videó (angolul).

ATAC-seq – A kromatin nyitottságának mérése
Az ATAC-seq azt mutatja meg, mennyire hozzáférhető a DNS a szabályozó fehérjék számára. Ez a génaktiváció alapja, ugyanis a génátíráshoz a DNS bizonyos szakaszainak ki kell tekerednie (nyitott kromatin). A zárt, csomagolt régiók nem olvashatók – ezek inaktívak. Az ATAC-seq tehát egyfajta epigenetikai feltérképezés, ami megmutatja: mely gének potenciálisan bekapcsolhatók, hol vannak enhancer vagy promoter régiók aktív állapotban, hogyan változik a kromatin stressz, tanulás vagy drogok hatására.

scRNA-seq + ATAC-seq kombinációja: Génexpresszió és epigenetika egyszerre
Ez az irány gyakran „multiomics single-cell profiling” néven fut.
A scRNA-seq (single cell, egysejt szekvenálás) megmondja milyen gének aktívak egy sejtben, az ATAC-seq pedig hozzáteszi miért aktívak (milyen epigenetikai állapot teszi lehetővé). Így a génexpressziós változások okai is vizsgálhatók, a környezeti hatások (stressz, droghasználat, tanulás) által kiváltott változások molekuláris mechanizmusa feltárható, a sejtállapotok precízen kategorizálhatók. Ez a módszer jelenleg a legmélyebb betekintést adja a komplex idegrendszeri adaptációkba.

Proteomika – az összes fehérje mérése
Az ATAC-seq azt mutatja meg a genom mely része írható át, a transzkriptom azt mutatja, milyen mRNS van jelen (azaz valóban mi jródhat át ), a proteomika azt, hogy ebből milyen fehérje keletkezik ténylegesen. Mivel az mRNS-ek átirásának is vannak szabályozó rendszerei, ezért fontos tudni mely mRNSkből lesz az adott állapotban fehérje, az igazi végrehajtó molekula. A kettő között gyakran nagy a különbség, ezért fontosak a proteomikai mérések. A mérések során a mintát először tripszinnel megemésztik aminek hatására a fehérjék jellegzetes polipetid darabokra esnek szét. Minden fehérjére jellemző egy polipeptid mintázat. Ezeket a darabokat két lépcsős tömeg spektrometriával elezik, melynek során a peptideket súlyuk és elektromos töltésük arányának nagyon finom eltérései alapján azonosítják. Utána adatbázis feldolgozó módszerekkel azonosítják, hogy a peptid darab eloszlás alapján milyen eredeti fehérjék azonosíthatók.
Modern irányok: térbeli proteomika – hol vannak a fehérjék a szövetben, időbeli proteomika – hogyan változnak gyors folyamatok alatt.

Lipidomika – a sejt zsírkomponenseinek mérése
A lipidek (zsírok) nem csak energiatárolók, hanem:
•    sejthártya építőkövei,
•    jelátviteli molekulák,
•    neuromodulátorok,
•    gyulladásos válaszok kulcselemei.
A lipidomika az agyban különösen fontos, mert a membránok összetétele szabályozza a receptorok működését, az axonok szigetelésében fontos mielinhüvely zsírokban gazdag, neurodegenerációban a lipidanyagcsere zavara korai jel. A legújabb módszerek már térben is képesek lipidfajtákat lokalizálni, azaz nem csak azt mondják meg, hogy egyfajta zsír előfordul, hanem azt is hol.

Ezekkel a módszerekkel az idegtudomány egy új korszakba lépett. Az agy működését már nem csak elektromosan vagy anatómiailag, hanem molekuláris hálózatokként is tudjuk vizsgálni.

Szerző: Gulyás Attila