Atlas Sel Manusia: dari visi ke kenyataan

Saat proyek ambisius untuk memetakan semua sel dalam tubuh manusia secara resmi sedang berlangsung, Aviv Regev, Sarah Teichmann dan rekan menguraikan beberapa tantangan utama.

Pengetahuan kita tentang sel-sel yang menyusun tubuh manusia, dan bagaimana sel-sel itu berbeda dari orang ke orang, atau sepanjang perkembangan dan dalam kesehatan atau penyakit, masih sangat terbatas. Minggu ini, setahun setelah perencanaan proyek dimulai, lebih dari 130 ahli biologi, ilmuwan komputasi, ahli teknologi, dan dokter berkumpul kembali di Rehovot, Israel, untuk memulai inisiatif 1 Atlas Sel Manusia . Kolaborasi internasional antara ratusan ilmuwan dari puluhan universitas dan institut ini – termasuk UK Wellcome Trust Sanger Institute, RIKEN di Jepang, Karolinska Institute di Stockholm dan Broad Institute of MIT dan Harvard di Cambridge, Massachusetts – bertujuan untuk membuat peta referensi yang komprehensif dari semua sel manusia sebagai dasar untuk penelitian, diagnosis, pemantauan dan pengobatan.

Atas nama panitia penyelenggara Atlas Sel Manusia, kami menguraikan di sini beberapa tantangan utama yang dihadapi dalam membangun atlas semacam itu – dan strategi yang kami usulkan. Untuk detail lebih lanjut tentang bagaimana atlas akan dibangun sebagai sumber daya global terbuka, lihat white paper 2 yang diposting di situs Human Cell Atlas.

Sel telah dikarakterisasi dan diklasifikasikan dengan ketelitian yang meningkat sejak Robert Hooke pertama kali mengidentifikasinya di bawah mikroskop pada abad ketujuh belas. Tetapi ahli biologi belum menentukan semua unsur molekuler sel, juga belum menetapkan bagaimana semua unsur ini terkait satu sama lain dalam jaringan, sistem, dan organ. Akibatnya, ada banyak tipe sel yang tidak kita ketahui. Kita juga tidak tahu bagaimana semua sel dalam tubuh berubah dari satu keadaan ke keadaan lain, dengan sel lain mereka berinteraksi atau bagaimana mereka diubah selama perkembangan.

Revolusi teknologi
Teknologi baru menawarkan kesempatan untuk membangun atlas sistematis dengan resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Alat-alat ini berkisar dari pengurutan RNA sel tunggal hingga teknik untuk menilai molekul protein sel dan profil aksesibilitas kromatin. Misalnya, sekarang kami dapat menentukan profil RNA untuk jutaan sel individu secara paralel (lihat ‘ Dari satu hingga jutaan ‘). Komposisi protein dan fitur kromatin dapat dipelajari di ratusan atau ribuan sel individu, dan mutasi atau penanda lain dilacak untuk merekonstruksi garis keturunan sel. Kami juga dapat membuat profil beberapa varian RNA dan protein in situ untuk memetakan sel dan molekulnya ke lokasi mereka di jaringan.

Kami mengantisipasi bahwa atlas ini akan membantu para peneliti untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan kunci di berbagai bidang biologi. Dalam taksonomi seluler, ini memungkinkan penemuan dan identifikasi jenis sel dan penanda molekuler atau tanda tangan (kumpulan gen, katakanlah, yang mencirikan jenis sel tertentu). Dalam histologi, seharusnya memungkinkan para peneliti untuk menghubungkan struktur jaringan dengan posisi sel dan molekul. Ahli biologi perkembangan akan dapat menggunakannya untuk melacak nasib dan garis keturunan sel. Ahli fisiologi dapat mencirikan keadaan dinamis, seperti siklus sel, dan respons sementara seperti reaksi sel T terhadap patogen.

Atlas juga dapat memfasilitasi penelitian tentang mekanisme molekuler komunikasi di dalam dan antar sel. Dan itu harus memungkinkan ahli biologi untuk membandingkan jenis sel antar spesies untuk lebih memahami evolusi manusia, dan untuk menentukan sejauh mana sistem model hewan dan organoid mencerminkan biologi manusia.

Yang terpenting, atlas harus membantu para peneliti untuk membandingkan sel referensi yang sehat dengan yang sakit di jaringan yang relevan – dan dengan demikian memfasilitasi pengembangan obat yang lebih baik dan prediksi yang lebih akurat dari toksisitas yang tidak diinginkan. Atlas juga dapat membantu pengobatan regeneratif – proses penggantian, rekayasa, atau regenerasi sel, jaringan, atau organ manusia untuk membentuk fungsi normal. Tes diagnostik utama, seperti hitung darah lengkap – pemeriksaan darah rutin yang menyediakan jumlah kasar sel darah putih, sel darah merah, dan sebagainya – akan menjadi jauh lebih informatif jika jenis dan status sel dapat diidentifikasi dengan perincian yang jauh lebih halus. Informasi tersebut dapat, misalnya, membantu mendiagnosis kanker darah, autoimunitas, atau infeksi sebelum gejala klinis muncul.

Studi awal sudah menunjukkan potensi yang luar biasa di semua bidang ini. Jenis sel baru telah ditemukan di otak 3–7 , usus 8 , retina 9 dan sistem kekebalan 10 , dan penemuan ini telah menghasilkan wawasan baru – tentang bagaimana fungsi sistem kekebalan 11 , misalnya, dan dinamika ekosistem tumor 12 . Namun, untuk mengambil langkah berikutnya – membangun atlas sel manusia yang benar-benar berguna – membutuhkan pandangan yang panjang dan menangani berbagai tantangan sistemik dan organisasi, serta tantangan teknis dan ilmiah.

Setuju tentang ruang lingkup. Mengingat kompleksitas tubuh manusia yang sangat besar, dan evolusi teknologi yang cepat untuk menyelidiki sel dan jaringan, dan untuk menganalisis data, kami berencana untuk membangun sumber daya ini secara bertahap dan menghasilkan peta referensi dengan resolusi yang meningkat seiring dengan kemajuan proyek.

Draf pertama atlas akan menampilkan karakteristik molekuler dan spasial sel, hanya menangkap jenis sel yang terjadi di atas kelangkaan yang telah ditentukan sebelumnya – misalnya, yang membentuk lebih dari 1% sampel. Sel-sel ini akan diperoleh dari jaringan utama dari donor yang sehat, dengan mempertimbangkan keragaman genetik, lokasi geografis, dan usia seseorang. Meskipun penyakit tidak akan menjadi fokus dari draf pertama atlas ini, kami berencana untuk melihat beberapa sampel penyakit untuk membandingkannya dengan jenis sel sehat.

Draf pertama akan fokus pada jaringan, bukan seluruh organ. Sel yang sangat langka mungkin terlewat, dan ukuran sampel mungkin terlalu kecil untuk sepenuhnya mengungkapkan hubungan antara karakteristik seluler dan keragaman manusia. Pada fase selanjutnya, atlas dapat mencakup seluruh organ, termasuk kelompok kecil orang (katakanlah, 50-60) dengan penyakit yang diminati, mengumpulkan ukuran sampel yang lebih besar dan memberikan kekuatan yang lebih besar untuk mengasosiasikan variasi molekuler dengan keragaman genetik yang mendasarinya. Strategi langkah-bijaksana serupa diterapkan dalam Proyek Genom Manusia; bahkan genom yang tersusun sebagian terbukti segera berguna bagi para peneliti, dan variasi genetik manusia dalam kesehatan dan penyakit ditangani selama beberapa tahun setelah genom lengkap diurutkan.

Atlas akan memberikan titik awal yang penting untuk studi fungsional – misalnya, yang bertujuan untuk menetapkan hubungan mekanistik antara status sel dan penyakit. Tetapi studi semacam itu sendiri berada di luar cakupannya. Sekali lagi, ini sejalan dengan apa yang terjadi dengan Proyek Genom Manusia: studi elemen fungsional dalam genom, yang sedang berlangsung, mengandalkan urutan referensi yang diperoleh melalui proyek tersebut.

Atlas akan bertujuan untuk memberikan representasi rinci dari molekul, sel, jaringan, organ dan sistem, memungkinkan peneliti untuk memperbesar dan memperkecil untuk mengidentifikasi pola dan interaksi pada berbagai tingkat resolusi. Untuk tujuan ini, mereka yang menyusun atlas harus menetapkan berapa banyak sel yang akan diambil sampelnya, jenis fitur molekuler apa yang akan dianalisis, cara menetapkan sel ke kategori yang berbeda, dan cara membagi kategori tersebut. Pada tingkat spasial, mereka harus memutuskan bagaimana mengambil sampel anatomi dan histologi yang kompleks. Terakhir, mereka perlu menetapkan cara untuk menghubungkan berbagai lapisan informasi seluler dan spasial dari sampel yang berbeda ke referensi anatomi tunggal dengan mengembangkan apa yang disebut kerangka koordinat umum.

Untuk memastikan penggunaan sumber daya yang terbaik, mereka yang terlibat dalam inisiatif harus menyetujui resolusi yang diinginkan untuk setiap fase atlas. Para peneliti tentu saja dapat mencoba mengejar jenis sel yang semakin langka, tetapi berpotensi dengan biaya yang semakin besar. Dalam hal ini, Atlas Sel Manusia akan mengejar pendekatan serupa dengan yang digunakan dalam studi genetika manusia yang berfokus pada varian yang ada pada frekuensi tertentu. Di sini, ahli genetika mulai menangani varian yang semakin langka seiring dengan kemajuan teknologi.

Bersikaplah terbuka dan adil. Untuk mendapatkan dampak yang maksimal, Atlas Sel Manusia harus merupakan sumber daya terbuka, di banyak tingkatan.

Proyek ini sudah terbuka untuk semua peserta yang tertarik yang berkomitmen pada nilai-nilainya. Diskusi tentang organ, jaringan, teknologi, atau pendekatan komputasi tertentu berjalan di lebih dari selusin saluran Slack yang dapat diikuti siapa saja.

Kapan pun persetujuan mengizinkan, data atlas akan tersedia untuk umum dalam platform koordinasi data sumber terbuka sesegera mungkin, setelah dikumpulkan dan telah melewati pemeriksaan kendali mutu. Semua standar yang ditetapkan untuk memastikan produksi data berkualitas tinggi, dan pembaruan apa pun terhadap standar tersebut, juga akan dibagikan. Hal yang sama berlaku untuk teknologi baru dan metode komputasi yang dihasilkan dari proyek tersebut.

Data Atlas dan produk analisis akan ada di berbagai cloud publik (saat ini, yang dihosting oleh Google, Amazon, dan Microsoft) untuk memastikan bahwa orang-orang dengan lingkungan cloud pilihan yang berbeda dapat mengaksesnya. Karena komputasi akan dilakukan di cloud, peneliti individu tidak perlu mendownload dan menyimpan semua data atau memiliki akses ke daya komputasi performa tinggi mereka sendiri. Terakhir, selain rilis data yang berkelanjutan dan rilis data formal berkala, publikasi yang menginterpretasikan data akan membantu membangun pendekatan standar dan menyebarkan wawasan dan nilai yang dapat diperoleh darinya.

Sebisa mungkin, atlas harus mencerminkan keragaman manusia dan pengalaman manusia. Distribusi luas dari para peneliti yang berpartisipasi, institusi dan negara yang terlibat dalam inisiatif dengan sendirinya akan membantu memastikan keragaman jaringan. Inisiatif tersebut saat ini mencakup anggota dari 5 benua dan lebih dari 18 negara, termasuk Jepang, Israel, Afrika Selatan, Cina, India, Singapura, Kanada, dan Australia.

Mendapatkan persetujuan persetujuan yang sesuai dan menumbuhkan kepercayaan publik sejak awal juga akan membantu upaya untuk mendapatkan keragaman geografis, jenis kelamin, usia dan genetik yang memadai dalam pengambilan sampel. Sebagai bagian dari inisiatif global, kelompok kerja etika akan menetapkan cara terbaik untuk mendapatkan persetujuan dari donor sampel, bagaimana persyaratan persetujuan tersebut dapat ditaati dan bagaimana melindungi privasi peserta dan donor dengan tepat. Berbagai proyek yang ada yang melibatkan sampel manusia, seperti proyek penelitian publik ENCODE (Ensiklopedia Elemen DNA), yang bertujuan untuk mengidentifikasi semua elemen fungsional genom manusia, dapat memberikan panduan tentang hal ini.

Dapatkan sampel dengan tepat. Mendapatkan sampel jaringan menggunakan prosedur standar, dengan persetujuan yang sesuai dan dengan cara yang memungkinkan peneliti lain untuk mengetahui dengan tepat dari mana sampel berasal merupakan upaya yang kompleks. Untuk mengakses keragaman jaringan manusia yang dibutuhkan, peneliti akan bekerja dengan jaringan segar dari donor hidup dan spesimen yang diperoleh postmortem atau dari donor organ transplantasi.

Kami berencana untuk belajar dari, dan mengembangkan, proses pengadaan andal yang sudah ada sebelumnya. Contohnya termasuk yang digunakan dalam Genotype-Tissue Expression Project (GTEx, database dan bank jaringan yang dirancang untuk membantu peneliti mendapatkan wawasan tentang mekanisme regulasi gen pada manusia) dan Cambridge Biorepository for Translational Medicine, sumber daya untuk proyek penelitian multidisiplin untuk jaringan segar mana yang dibutuhkan.

Atur secara efektif. Konsorsium Human Cell Atlas dibangun di atas empat pilar yang berbeda dan saling berhubungan. Jaringan biologis kolaboratif melibatkan para ahli dalam sistem atau organ biologis serta genomik, komputasi dan rekayasa, bekerja sama untuk membangun peta setiap jaringan, sistem, atau organ. Beberapa proyek percontohan jaringan biologis telah dirumuskan melalui upaya akar rumput dalam komunitas Atlas Sel Manusia. Selain mengungkap biologi baru dan membantu membangun jaringan internasional kolaboratif, kegiatan ini memberi informasi kepada komunitas tentang cara menyusun sampel dan melakukan analisis untuk atlas sel skala penuh.

Sebuah forum teknis yang melibatkan ahli genomik, spesialis pencitraan dan ahli bioteknologi, sedang mengembangkan teknologi baru, dan menguji, membandingkan, dan menyebarkan yang sudah ada. Platform koordinasi data sedang dirancang untuk membawa peneliti ke data dengan mengembangkan perangkat lunak untuk mengunggah, menyimpan, memproses, dan menyajikan data. Platform ini juga menyediakan lingkungan terbuka di mana metode komputasi dan algoritme yang dikembangkan oleh grup yang tertarik dapat dibagikan. Akhirnya, taman analisis melibatkan ahli biologi komputasi yang bekerja bersama untuk mengembangkan teknik canggih untuk penambangan dan interpretasi data.

Kegiatan di semua bidang saat ini diatur oleh kelompok pengarah ilmiah, panitia penyelenggara Atlas Sel Manusia. Diketuai bersama oleh dua dari kami (AR dan SAT), ini mencakup 27 ilmuwan dari 10 negara dan berbagai bidang keahlian. Komite membentuk kelompok kerja (sejauh ini sekitar 5, masing-masing terdiri dari sekitar 5 hingga 15 anggota) yang menangani bidang-bidang utama tertentu. Misalnya, kelompok kerja analisis menyusun praktik terbaik untuk analisis komputasi melalui proses di seluruh komunitas, termasuk lokakarya dan jambore. Komite mengatur platform koordinasi data, termasuk membuat semua keputusan kebijakan dan menyetujui rencana keseluruhannya.

Bergabunglah dengan upaya tersebut
Memiliki katalog gen di ujung jari kita telah mengubah penelitian dalam biologi dan penyakit manusia. Demikian pula, kami percaya bahwa Atlas Sel Manusia akan mengkatalisasi kemajuan dalam biologi dan kedokteran. Deskriptor seperti ‘jenis sel’ dan ‘status sel’ mungkin sulit untuk ditentukan saat ini. Upaya integratif dan sistematis oleh banyak tim ilmuwan yang bekerja bersama dan membawa keahlian yang berbeda untuk masalah tersebut dapat secara dramatis mempertajam terminologi kita, dan merevolusi cara kita melihat sel, jaringan, dan organ kita. Kami mengundang Anda untuk bergabung dalam upaya ini.