Междисциплинарная группа биологов и математиков из Калифорнийского университета в Ирвайне разработала новый инструмент, помогающий расшифровать язык, используемый клетками для общения друг с другом.
В статье, опубликованной сегодня в Nature Communications, исследователи представляют CellChat, вычислительную платформу, которая позволяет расшифровывать сигнальные молекулы, передающие информацию и команды между клетками, которые объединяются в биологические ткани и даже целые органы.
"Чтобы правильно понять, почему клетки делают определенные вещи, и предсказать их будущие действия, мы должны быть в состоянии слушать, что они говорят друг другу; математические и машинные инструменты обучения позволяют переводить такие сообщения, ", сказал соавтор Цин Ни, профессор математики, биологии развития и клеточной биологии Канцлера UCI.
«Так же, как и в нашем мире, где нас постоянно бомбардируют информацией, все клетки одновременно испытывают множество молекулярных слов», - добавил соавтор Максим Пликус, профессор биологии развития и клеточной биологии UCI. «То, что они решат делать, зависит от этого постоянного потока молекулярной информации и от того, какие слова и предложения звучат громче всего».
Чтобы использовать CellChat для перевода молекулярных сообщений между клетками, исследователи вводят экспрессию гена в одной клетке, и на выходе получается подробный отчет о сигнальных коммуникативных особенностях данной ткани или органа.
«Для каждой отдельной группы ячеек CellChat показывает, какие значимые сигналы отправляются их соседям и какие сигналы они могут принимать», - сказал Пликус. «Являясь интерпретатором клеточного языка, CellChat предоставляет ученым ценную информацию о паттернах передачи сигналов, которые управляют работой всего органа».
При разработке CellChat исследователи из Центра многомасштабных исследований клеточных судеб NSF-Simons UCI, в том числе постдокторанты Суоцин Джин, Кристиан Ф. Герреро-Хуарес, Рауль Рамос и Лихуа Чжан, много заимствовали из инструментов машинного обучения и социальных сетей. сетевой теории, которая позволяет платформе предсказывать значение клеточного языка более высокого уровня и выявлять контекстуальные сходства, которые в противном случае неочевидны. Он разрушает огромную сложность моделей сотовой связи.
Клетки производят молекулы-модификаторы, чтобы подчеркнуть определенную команду, преобразуя «сделай это» в «сделай это сейчас». CellChat автоматически калибрует силу сигнальной связи между клетками, учитывая все присутствующие в значительной степени молекулы-модификаторы. В результате его перевод становится более тонким и помогает свести к минимуму неточности, от которых страдают другие подобные, но менее сложные вычислительные инструменты.
Помимо чисто фундаментального исследовательского предприятия по интерпретации этих биологических сообщений, Не сказал, что CellChat также можно использовать для сравнения коммуникационных сетей в различных состояниях органа, таких как болезнь и здоровье. Назвав его «переводчиком Google для клеточного словаря», Ни сказал, что одна из самых значительных возможностей инструмента заключается в том, что его можно использовать для выявления молекулярных драйверов широкого спектра заболеваний, включая рак и аутоиммунные заболевания..
"В нашей статье мы демонстрируем возможности CellChat на примере атопического дерматита, заболевания кожи человека, но этот инструмент можно использовать на любой ткани с таким же успехом", - добавил Пликус.