Учёные разработали способ отслеживать принятие решений клетками
Функционирование или дисфункция любого органа проистекает из поведения отдельных клеток, которые его составляют. Современные технологии позволяют анализировать клетки по одной, но дают лишь статичные снимки их активности.
Исследователи из Гарвардской медицинской школы и Каролинского института впервые смогли зафиксировать принятие решений клеткой как динамический процесс, определяющий её будущее.
Метод, описанный 8 августа в Nature, представляет собой математическую модель, оценивающую скорость изменения РНК (RNA velocity) во времени как предиктор клеточной судьбы в масштабе часов.
Эта способность улавливать "намерения" клетки поможет лучше анализировать функции и дисфункции в сложных тканях и органах, а также отслеживать развитие органов и их реакцию на терапию.
Кухня клетки
Для своей предсказательной модели учёные уловили изменения в мРНК (mRNA) — молекуле-посреднике, которая интерпретирует генетический код ДНК и даёт клеткам инструкции по производству белков.
"Оценка скорости РНК — это всё равно что наблюдать за поварами на кухне ресторана, которые расставляют ингредиенты, чтобы понять, какие блюда они будут готовить дальше", — говорит Питер Харченко, соавтор исследования.
Учёные измерили следовые молекулы — маркеры, которые часто отбрасываются как "шум" при стандартном одноклеточном анализе. Эти маркеры дают ключи к намерениям клетки и следам её прошлого. Они появляются на различных этапах жизненного цикла РНК:
- Транскрипция: производство незрелой пре-мРНК (pre-mRNA).
- Сплайсинг и процессинг: редактирование в зрелую мРНК.
- Ядерный экспорт: выход зрелой мРНК из ядра в цитоплазму.
- Трансляция: превращение инструкций мРНК в функциональные белки.
- Деградация: разрушение выполнившей свою работу мРНК.
В клетке одновременно присутствует смесь мРНК на разных стадиях. Команда предположила, что каждая стадия несёт различный молекулярный след, указывающий на будущее направление и судьбу клетки.
Бег на месте
Чтобы оставаться живой, клетка никогда не останавливается. Даже в состоянии равновесия она поддерживает баланс между производством новой мРНК и деградацией зрелой. Сдвиги в этом балансе предвещают изменения в поведении клетки.
Измеряя соотношение мРНК на различных стадиях экспрессии, учёные смогли предсказать траекторию и конечное состояние клетки — в какой тип клетки она стремится превратиться.
Например, сотни генов включаются или выключаются, когда клетка-предшественник в мозге дифференцируется в нейрон или глиальную клетку. Анализируя маркеры мРНК в этом процессе, можно понять, куда движется клетка.
Проверка точности модели
Точность модели проверили на нескольких наборах данных о созревающих и дифференцирующихся клетках мышей и человека:
- Анализ РНК-профилей клеток-предшественников нейронов человеческого переднего мозга или нейроэндокринных клеток мыши подтвердил, что предсказанное будущее состояние клеток соответствовало их реальной судьбе.
- Модель точно предсказала конечное состояние нейронов мыши, активированных в ответ на свет.
- В более сложном примере проанализировали скорость РНК более чем в 18 000 индивидуальных клеток гиппокампа мыши. Предсказанная судьба стволовых клеток мозга и клеток-предшественников снова совпала с их фактическим конечным состоянием.
Примечательно, что паттерны скорости РНК показали: многие внешне похожие клетки на перекрёстках принятия решений уже двигались в чётко различных направлениях, предвещающих разные клеточные судьбы.
"Скорость РНК детально показывает, как нейроны и другие клетки приобретают свои специфические функции по мере развития мозга. Этот метод поможет понять не только нормальное развитие, но и то, что идёт не так при нарушениях развития мозга, таких как шизофрения и аутизм", — говорит Стен Линнарссон, соавтор исследования.