Starzenie się przebiega w odrębnych etapach, charakteryzujących się zsynchronizowanymi zmianami komórkowymi w narządach, jak pokazano w największym w historii atlasie starzenia się ssaków Rockefellera. Ich odkrycia dostarczają wskazówek dotyczących ukierunkowania procesów starzenia i ujawniają kluczowe różnice w dynamice komórkowej związane z wiekiem i płcią.
Jeśli porównasz zdjęcia klonu zrobione w lipcu i grudniu, różnica będzie uderzająca: żywy zielony baldachim latem w porównaniu z nagimi, surowymi gałęziami zimą. Te obrazy nie ujawniają jednak, jak przebiegała transformacja – czy była stopniowa czy nagła. W rzeczywistości drzewa liściaste zwykle czekają na sygnały środowiskowe, takie jak zmiany światła lub temperatury, zanim zrzucą wszystkie liście w ciągu jednego do dwóch tygodni.
Jeśli chodzi o starzenie się, możemy być bardziej podobni do tych drzew, niż nam się wydawało.
Przełomowe badania przeprowadzone w Laboratorium Genomiki Pojedynczych Komórek i Dynamiki Populacji Uniwersytetu Rockefellera wykazały, że starzenie się przebiega podobną trajektorią na poziomie komórkowym. W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmie Science kierownik laboratorium Junyue Cao i jego zespół zastosowali sekwencjonowanie pojedynczych komórek do analizy ponad 21 milionów komórek ze wszystkich głównych narządów myszy na pięciu różnych etapach życia. Dzięki temu bezprecedensowemu wysiłkowi powstał największy na świecie atlas komórkowy zebrany w ramach jednego badania.
Ich odkrycia ujawniają, że określone populacje komórek zmieniają się w każdym narządzie, zarówno w ten sam sposób, jak i w tym samym czasie, na określonych etapach życia. Sugeruje to, że starzenie się nie jest procesem liniowym, ale etapem rozwojowym wywołanym określonymi sygnałami molekularnymi.
„Liczba niektórych komórek znacznie się zwiększa, podczas gdy inne zanikają, a liczba komórek, które przechodzą takie zmiany, różni się w zależności od wieku” – mówi Cao. „Co więcej, niektóre z tych zmian są kontrolowane przez te same cechy molekularne, więc być może uda nam się na nie namierzyć, aby opóźnić lub nawet przeprogramować sam proces starzenia”.
Od techniki dostosowanej do indywidualnych potrzeb po platformę uniwersalną
Sekwencjonowanie pojedynczych komórek, specjalność laboratorium Cao, to metoda analizy genetycznej, która koncentruje się na ekspresji genetycznej i dynamice molekularnej poszczególnych komórek, jednocześnie ujawniając tożsamość każdej badanej komórki. Jego zespół korzystał już wcześniej z sekwencjonowania pojedynczych komórek, aby odkryć nowe rzadkie typy komórek mózgowych oraz między innymi śledzenie starzenia się komórek mózgowych.
W badaniu mózgu odkryli także różne populacje komórek i dynamikę komórkową charakterystyczną dla różnych grup wiekowych. W ramach obecnego badania, prowadzonego przez studenta Zehao Zhanga, naukowcy byli ciekawi, czy podobne zmiany zachodzą w innych częściach ciała.
W tym celu Zhang zaadaptował EasySci, metodę sekwencjonowania pojedynczych komórek opracowaną przez grupę i wykorzystaną w badaniu starzenia się mózgu, aby rozszerzyć jej zasięg komórkowy tak, aby obejmował wszystkie główne narządy myszy. Zhang podjął się tego trudnego zadania w pojedynkę: ręcznie.
„Najtrudniejszym aspektem była optymalizacja EasySci pod kątem pracy na różnych narządach ssaków przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości danych” – mówi. „Ponieważ większość poprzednich badań często skupiała się na określonych narządach lub stosowała różne protokoły dla różnych narządów, opracowanie uniwersalnego protokołu wymagało przetestowania tysięcy warunków w różnych narządach, zanim mogliśmy w ogóle rozpocząć prawdziwy eksperyment”.
W wyniku wysiłków Zhanga EasySci jest obecnie ujednoliconą platformą profilowania głównych narządów ssaków, zdolną do systematycznego analizowania mechanizmów starzenia i chorób w całym organizmie.
W bieżącym badaniu wykorzystali go do ujawnienia profili transkryptomu pojedynczego jądra około 21 milionów komórek pobranych z ponad 600 próbek samców i samic myszy na pięciu różnych etapach życia, od młodych do starszych.
Krytyczne okna czasowe
Zespół odkrył ponad 10 głównych typów komórek i 200 podtypów komórek, które stale ulegają znacznemu wyczerpaniu lub ekspansji związanej z wiekiem.
Na przykład we wczesnej dorosłości (od 3 do 12 miesięcy u myszy) liczba określonych podtypów komórek w obrębie tkanki tłuszczowej, mięśniowej i nabłonkowej odnotowała wyraźny spadek, natomiast w zaawansowanej dorosłości (od 12 do 23 miesięcy u myszy) różne typy komórek komórek odpornościowych eksploduje liczebnie.
Co ciekawe, wiele z tych zmian powiązano ze specyficzną ekspresją genów w komórkach, niezależnie od tego, gdzie je znaleziono. „Zidentyfikowaliśmy podtypy komórek w różnych narządach, w których mogą pełnić różne funkcje” – mówi Cao. „Ale wydaje się, że kontroluje je ten sam proces molekularny”.
„Zasadniczo zidentyfikowaliśmy komórkowe podłoże każdej zmiany fazowej i udokumentowaliśmy, że nie następują one stopniowo w czasie, ale na określonych etapach życia” – dodaje. „Teraz, gdy zidentyfikowaliśmy krytyczne okna czasowe, które wykazują bardzo silne zmiany w różnych populacjach komórek, dostarcza nam to ważnych wskazówek na temat tego, jak interweniować w proces starzenia”.
W szczególności komórki odpornościowe wykazywały wzrost populacji w późniejszym życiu. „Znaleźliśmy wiele różnych podtypów komórek B i T, które ulegają silnej ekspansji w różnych narządach” – mówi Cao. Wiadomo, że nadmiar tych komórek powoduje stany zapalne i autoimmunologiczne. Kiedy naukowcy zbadali dwie myszy z niedoborem odporności, którym brakowało takich komórek, odkryli, że zmniejszenie liczby limfocytów B i T odwraca zmiany w kilku innych typach komórek związane ze starzeniem się, podkreślając sieci regulacyjne komórek w procesie starzenia się – mówi Cao.
Odkryli także niezwykle małe skupiska nowych typów komórek, niektóre liczące zaledwie 500 komórek. Trzeba zbadać, jaką rolę odgrywają one w procesie starzenia, ale wykazano, że niektóre niezwykle rzadkie typy komórek pełnią krytyczne funkcje, mówi Cao. „Weźmy komórki przysadki mózgowej: ta bardzo mała populacja wydziela ważne hormony niezbędne do wzrostu, rozwoju reprodukcyjnego i funkcjonowania narządów”.
Różnice wieku i płci
Nieoczekiwanie odkryli także setki stanów komórkowych, które różniły się w każdym narządzie u samców i samic myszy – mówi Zhang. Należą do nich komórki progenitorowe adipocytów, które wykazują odmienne stany molekularne między mężczyznami i kobietami, a także specyficzną dla kobiet ekspansję limfocytów B związanych ze starzeniem.
Podsumowując, te różnice w wieku i płci mogą pomóc wyjaśnić, dlaczego kobiety, a zwłaszcza starsze kobiety, częściej niż mężczyźni cierpią na choroby autoimmunologiczne.
Podkreślają także znaczenie posiadania próbek komórek zrównoważonych pod względem płci w badaniach nad starzeniem się i chorobami, mówi Zhang. „Wiele badań skupia się na jednej płci, aby obniżyć koszty i zachować spójność, ale to odkrycie podkreśla znaczenie włączenia obu płci w celu odkrycia uogólnionych mechanizmów lub opracowania terapii dostosowanych do płci”.
Kopalnia złota dla przyszłych badań
Zestaw danych obejmujący 21 milionów komórek, nazwany PanSci, stanowi największy, jaki kiedykolwiek stworzono atlas sekwencjonowania pojedynczych komórek dotyczący starzenia się ssaków, a laboratorium Cao już planuje kilka przyszłych projektów w oparciu o ten zasób. Zamierzają na przykład przyjrzeć się bliżej setkom podtypów komórkowych, które wykazują znaczne różnice między myszami płci męskiej i żeńskiej, a także tymi zaangażowanymi w proces starzenia, z których wiele pozostaje słabo scharakteryzowanych lub zbadanych.
„Myślę, że nasze odkrycia można potencjalnie wykorzystać do zidentyfikowania komórkowego podłoża niektórych chorób specyficznych dla płci” – mówi Cao.
Naukowcy z całego świata mogą również wydobywać PanSci do celów własnych badań, dodaje Zhang. „Naukowcy badający określone narządy mogą wyodrębnić dane dotyczące konkretnych narządów, natomiast badacze skupiający się na określonych liniach komórkowych, takich jak komórki odpornościowe lub komórki śródbłonka, mogą wyodrębnić te same typy komórek z różnych narządów” – mówi. „A ponieważ zbiór danych jest dobrze dobrany i opatrzony adnotacjami, idealnie nadaje się do uczenia dużych modeli uczenia maszynowego do zastosowań takich jak przewidywanie wieku, znajdowanie rzadkich typów komórek i budowanie wirtualnych komórek do celów w krzemie badania zaburzeń.”
Odniesienie: „Panoramiczny widok dynamiki populacji komórek w procesie starzenia się ssaków” autorstwa Zehao Zhang, Chloe Schaefer, Weirong Jiang, Ziyu Lu, Jasper Lee, Andras Sziraki, Abdulraouf Abdulraouf, Brittney Wick, Maximilian Haeussler, Zhuoyan Li, Gesmira Molla, Rahul Satija , Wei Zhou i Junyue Cao, 28 listopada 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adn3949
