Дослідження 21 мільйона клітин змінює наше уявлення про старіння

Як показано в найбільшому в історії Рокфеллера атласі старіння ссавців, старіння відбувається в різні стадії, що відзначаються синхронними клітинними змінами в органах. Їхні висновки дають підказки для націлювання на процеси старіння та виявляють ключові вікові та статеві відмінності в клітинній динаміці.

Якщо порівняти фотографії клена, зроблені в липні та грудні, різниця буде разючою: яскравий зелений навіс влітку проти голих, різких гілок взимку. Те, що ці зображення не розкривають, так це те, як відбувалася трансформація — поступовою чи раптовою. Насправді листяні дерева зазвичай чекають сигналів навколишнього середовища, таких як зміна світла або температури, перш ніж скинути все листя протягом короткого періоду від одного до двох тижнів.

Коли справа доходить до старіння, ми можемо бути більше схожі на ці дерева, ніж ми думали.

Новаторське дослідження, проведене Лабораторією одноклітинної геноміки та популяційної динаміки Університету Рокфеллера, виявило, що старіння відбувається схожою траєкторією на клітинному рівні. У дослідженні, нещодавно опублікованому в Science, керівник лабораторії Цзюнюе Цао та його команда застосували одноклітинне секвенування для аналізу понад 21 мільйона клітин з усіх основних органів мишей на п’яти різних етапах життя. Ці безпрецедентні зусилля створили найбільший у світі клітинний атлас, складений в рамках одного дослідження.

Їхні висновки показують, що певні клітинні популяції змінюються в кожному органі однаково й одночасно протягом певних етапів життя. Це свідчить про те, що старіння — це не лінійний процес, а натомість стадія розвитку, викликана певними молекулярними сигналами.

«Кількість деяких клітин значно збільшується, а інших зменшується, і клітини, які зазнають таких змін, відрізняються залежно від віку», — каже Као. Більше того, деякі з цих змін контролюються тими ж молекулярними властивостями, тому ми можемо націлити їх на затримку або навіть перепрограмування самого процесу старіння».

Від техніки на замовлення до універсальної платформи

Секвенування окремих клітин, спеціалізація лабораторії Цао, — це метод генетичного аналізу, який зосереджується на генетичній експресії та молекулярній динаміці окремих клітин, одночасно виявляючи ідентичність кожної досліджуваної клітини. Його команда раніше використовувала секвенування однієї клітини, щоб виявити нові рідкісні типи клітин мозку та відстежувати, як клітини мозку старіють, серед інших цілей.

Під час дослідження мозку вони також виявили різні клітинні популяції та клітинну динаміку, характерні для різного віку. У поточному дослідженні під керівництвом аспіранта Цзехао Чжана їм було цікаво дізнатися, чи відбуваються подібні зміни в інших частинах тіла. Щоб зробити це, Чжан адаптував EasySci, одноклітинний метод секвенування, розроблений групою та використаний у дослідженні старіння мозку, щоб розширити його клітинний охоплення, щоб охопити всі основні органи миші – це складне завдання, з яким Чжан впорався на одній вручну.

«Найскладнішим аспектом була оптимізація EasySci для роботи з різними органами ссавців, зберігаючи при цьому високу якість даних», — каже він. «Оскільки більшість попередніх досліджень часто зосереджувалися на конкретних органах або використовували різні протоколи для різних органів, розробка універсального протоколу вимагала тестування тисяч умов у різних органах, перш ніж ми могли навіть почати справжній експеримент».

Завдяки зусиллям Чжана EasySci тепер є єдиною платформою для профілювання основних органів ссавців, здатною систематично аналізувати механізми старіння та захворювання в усьому організмі. У поточному дослідженні вони використали його для виявлення одноядерних профілів транскриптомів приблизно 21 мільйона клітин, взятих із понад 600 зразків самців і самок мишей на п’яти різних етапах життя, від молодих до літніх.

Критичні часові вікна

Команда виявила більше 10 основних типів клітин і 200 підтипів клітин, які постійно зазнають значного вікового виснаження або розширення. Наприклад, у ранньому дорослому віці (від 3 до 12 місяців у мишей) кількість конкретних підтипів клітин у жировій, м’язовій та епітеліальній тканинах помітно зменшилася, тоді як у дорослому віці (від 12 до 23 місяців у мишей) різні типи імунних клітин різко зростає.

Цікаво, що багато з цих змін були пов’язані з експресією специфічних генів у клітинах, незалежно від того, де вони були виявлені. «Ми визначили підтипи клітин у різних органах, де вони можуть виконувати різні функції», — каже Цао. «Але, здається, ними керує той самий молекулярний процес».

«Ми, по суті, визначили клітинну основу кожної зміни фази та задокументували, що вони відбуваються не поступово з часом, а на певних етапах життя», — додає він. «Тепер, коли ми визначили критичні часові вікна, які показують дуже сильні зміни в окремих популяціях клітин, це дає нам важливі підказки про те, як втрутитися в процес старіння».

Імунні клітини, зокрема, показали бум популяції в більш пізньому віці. «Ми виявили багато різних підтипів В-клітин і Т-клітин, які сильно розмножуються в різних органах», — каже Цао. Відомо, що надлишок цих клітин викликає запальні та аутоімунні захворювання. Насправді коли дослідники обстежили двох мишей з імунодефіцитом, у яких відсутні такі клітини, вони виявили, що виснаження В-клітин і Т-клітин скасовувало зміни в кількох інших типах клітин, пов’язаних зі старінням, підкреслюючи клітинні регуляторні мережі в процесі старіння, каже Цао.

Вони також знайшли надзвичайно малі скупчення нових типів клітин, деякі з яких нараховували лише 500 клітин. Яку роль вони відіграють у старінні, ще належить дослідити, але було показано, що деякі надзвичайно рідкісні типи клітин організовують критичні функції, каже Цао. «Візьмемо клітини гіпофіза: ця дуже невелика популяція виділяє важливі гормони, необхідні для росту, репродуктивного розвитку та функціонування органів».

Вікові та статеві відмінності

Несподівано вони також знайшли сотні клітинних станів, які відрізнялися між самцями та самками мишей у кожному органі, каже Чжан. До них належать клітини-попередники адипоцитів, які демонструють різні молекулярні стани між чоловіками та жінками, а також специфічне для жінок розширення В-клітин, пов’язаних зі старінням. У сукупності ці вікові та статеві відмінності можуть допомогти пояснити, чому жінки, особливо літні жінки, страждають від аутоімунних станів частіше, ніж чоловіки.

Вони також підкреслюють важливість мати збалансовані за статтю зразки клітин у дослідженнях старіння та захворювань, каже Чжан. «Багато досліджень зосереджуються на одній статі, щоб зменшити витрати та зберегти узгодженість, але цей висновок підкреслює важливість залучення обох статей для виявлення загальних механізмів або розробки методів лікування з урахуванням статі».

Золота жила для майбутніх досліджень

Набір даних дослідження з 21 мільйона клітин, який називається PanSci, являє собою найбільший атлас секвенування однієї клітини старіння ссавців, який коли-небудь створювався, і лабораторія Цао вже планує кілька майбутніх проектів на основі цього ресурсу. Наприклад, вони мають намір глибше вивчити сотні підтипів клітин, які демонструють серйозні відмінності між самцями та самками мишей, а також тими, які беруть участь у процесі старіння, багато з яких залишаються погано охарактеризованими або вивченими.

«Я думаю, що наші висновки потенційно можуть бути використані для виявлення клітинної основи деяких захворювань, пов’язаних із статтю», — каже Цао.

Чжан додає, що вчені з усього світу також можуть видобувати PanSci для власних досліджень. «Дослідники, які вивчають конкретні органи, можуть отримувати дані про органи, тоді як ті, хто зосереджується на конкретних клітинних лініях, таких як імунні або ендотеліальні клітини, можуть витягувати ті самі типи клітин з різних органів», — говорить він. «А оскільки набір даних добре підібраний і анотований, він ідеально підходить для навчання великих моделей машинного навчання для таких програм, як прогнозування віку, пошук рідкісних типів клітин і створення віртуальних клітин для досліджень збурень in silico».