От рождения до смерти клетки ведут насыщенное событиями существование. Благодаря геномике отдельных клеток теперь можно анализировать их судьбу в больших клеточных популяциях. Однако этот метод разрушает клетку, что затрудняет выводы о динамике развития клетки.
Для решения этой проблемы исследователи из Helmholtz Zentrum München и Массачусетского университета используют псевдодинамику, математическую модель, которая оценивает процессы развития на основе наблюдений за временными рядами отдельных клеток. Их отчет был опубликован в журнале Nature Biotechnology.
В своем ядре стволовые клетки несут ДНК, которая является чертежом любого органа или ткани. Таким образом, они способны давать начало различным типам клеток, таким как клетки кожи или кроветворные клетки. В зависимости от своего типа вновь созданные клетки выполняют определенные задачи в организме. Они размножаются, созревают, стареют и, наконец, умирают в результате апоптоза. «Мы задали себе два вопроса, - объясняет профессор Фабиан Тейс, директор Института вычислительной биологии (ICB) Helmholtz Zentrum München и профессор кафедры математического моделирования биологических систем Мюнхенского технического университета (TUM). «Какие факторы определяют конечный тип клеток, например, образуется ли клетка кожи? И как увеличивается количество клеток одного типа в органе, чтобы, например, наша иммунная система имела нужное количество Т-клеток «Поскольку оба эти вопроса напрямую связаны, мы решили ответить на них в рамках глобальной модели».
Такие соображения не новы в ICB. Используя транскрипцию, исследователи института уже обнаружили, как регулируется образование различных типов клеток крови из стволовых клеток крови. Они разработали алгоритм под названием Diffusion Pseudotime, который позволил им реконструировать, какие гены экспрессируются последовательно и как ответвляются траектории развития различных типов клеток. Благодаря новой математической модели интерпретация таких результатов в будущем будет значительно упрощена.
Взгляд на моменты времени, которые практически невозможно зафиксировать в экспериментах
«Мы разработали псевдодинамику как новую математическую модель для моделирования судьбы клеток», - сообщает Дэвид Фишер из ICB, который вместе с Анной Фидлер является соавтором исследования. «В процессе мы также учитываем такие факторы, как размер клеточной популяции и изменения, которые она претерпевает во временном ряду. Это позволяет нам оценивать давление отбора и образование новых клеток как параметры и прогнозировать статус развития в новых условиях. моменты времени», - говорит Фишер.«С помощью нашей модели мы можем определить, как регулируются пролиферация и гибель клеток на разных стадиях полного цикла развития и насколько сильна эта система контроля на самом деле».
Исследовательская группа, в которую входили профессор Тайс, доктор Ян Хазенауэр (ICB), профессор Хайко Ликерт, Институт исследований диабета и регенерации (IDR), Helmholtz Zentrum München, и доктор наук Рене Мэр, Медицинская школа UMASS, Массачусетский университет, а также первые два автора проводили псевдодинамические тесты с Т-клетками (клетки иммунной системы) и бета-клетками (клетки поджелудочной железы). Их инструмент описывает скорость пролиферации и апоптоза клеток. Если многие бета-клетки погибают, это приводит к диабету 1 типа. «Механизмы, которые вызывают пролиферацию и гибель, часто трудно различить на основе текущих данных», - объясняет Тайс. Он рассматривает псевдодинамику как «первый инструмент фундаментальных исследований, который позволит рассмотреть жизненно важные вопросы, стоящие перед биологией, на уровне отдельных клеток."