Исследование с глубоким обучением: как клетки регулируют деление
Исследователи из Онкологического центра Холлингса при Медицинском университете Южной Каролины, комбинируя визуализацию тканей и искусственный интеллект, глубже изучили регуляцию клеточного цикла. Исследование опубликовано онлайн в майском выпуске 2019 года журнала Cell Reports.
Мария Куйтино, Ph.D., и коллеги, изучая давний вопрос о контроле деления клеток в процессе развития и нормального функционирования многоклеточных организмов, использовали модели животных и применили инструменты глубокого обучения. Это позволило измерить уровни белков и выявить клеточные механизмы, которые ранее можно было оценить только в культурах клеток. Результаты начинают определять возможные ранние события, связанные с неконтролируемым делением клеток — ключевым шагом на ранней стадии развития рака.
Предыдущие исследования выявили молекулы, которые направляют клетки к делению или его остановке, но оставили много пробелов. Поскольку тела состоят из множества типов клеток, образующих сложные органы, изучение целого организма может быть очень сложным, но также очень интересным и информативным, отмечает Густаво Леоне, Ph.D., директор Онкологического центра Холлингса и автор-корреспондент исследования.
Ранее изучение отдельных клеток в системах культур in vitro давало базовые ответы о внутриклеточной биологии, но упускало взаимодействия, возникающие при совместной работе клеток для формирования органов. Результаты команды Леоне подтвердили как минимум 80% предыдущих знаний, полученных из систем клеточных культур, и позволили ответить на новые важные вопросы.
Пятилетний проект исследовал, «когда» и «где» экспрессируется критическое семейство белков-транскрипционных факторов (семейство E2F) в клетках млекопитающих. У млекопитающих есть как минимум девять различных факторов E2F, выполняющих либо активирующие («включение»), либо репрессорные («выключение») функции.
Вместо изучения регуляции деления клеток в культурах (in vitro) исследователи использовали подход на уровне целого организма. В работе было сделано два основных открытия:
- Универсальный механизм: Оказалось, что одни и те же белки семейства E2F организованы в два модуля, которые работают сходным образом во всех типах клеток и органах тела. Это указывает на существование универсального механизма контроля деления клеток, несмотря на разнообразие клеток в организме.
- Развитие инструментов: Были разработаны инструменты для точного анализа белков в сложных тканях. Ключевую роль в разработке искусственных инструментов сыграл исследователь центра Тьерри Пекот, Ph.D.
Лаборатория Леоне использовала возможности искусственного интеллекта для количественного определения транскрипционных факторов в многочисленных клетках тканей мыши. Технология, аналогичная той, что используется в беспилотных автомобилях для распознавания объектов, позволила идентифицировать отдельные клетки на микроскопических изображениях тканей и органов.
Лаборатория Леоне обнаружила, что три транскрипционных фактора (E2F3A, E2F8, E2F4) работают вместе, контролируя деление клеток, а два других объединяются, чтобы остановить его. Эти находки закладывают прочную основу для дальнейших исследований.
Исследование, финансируемое Национальными институтами здравоохранения (NIH), проводилось международной командой. Оно поднимает важные вопросы для будущей работы: хотя с помощью передовых технологий удалось выяснить, «когда» и «где» экспрессируются модули «включения/выключения» деления клеток в интактных организмах, остаётся неизвестным, почему существует несколько таких переключателей и являются ли их роли избыточными.