Модель машинного обучения проливает новый свет на развитие мышц
Доктор Ори Авиноам и доктор Асаф Зарицки с коллегами разработали модель машинного обучения для отслеживания сложного процесса превращения стволовых клеток в мышечные волокна. Результаты опубликованы в журнале Molecular Systems Biology.
Как развиваются мышцы
Стволовые клетки, из которых развивается мышечная ткань, присутствуют и во взрослых мышцах. При росте, нагрузке или травме они активируются:
- Делятся, чтобы увеличить количество.
- Дифференцируются — специализируются, синтезируют сократительные белковые волокна (актин) и мигрируют к месту регенерации.
- Сливаются друг с другом, образуя длинные мышечные волокна.
Учёные не до конца понимали, как клетки продвигаются по этому пути.
Эксперимент и модель
Исследователи из лаборатории Авиноама (Джулия Зарфати и Ади Хазак) в реальном времени зафиксировали развитие мышечных волокон из стволовых клеток мышей. Они флуоресцентно пометили ядра клеток и белок актин, создав видеозаписи процесса дифференцировки в течение суток.
Совместно с Амитом Шакархи из лаборатории Зарицки биологические данные перевели в вычислительную модель. Модель, обученная различать стволовые и зрелые мышечные клетки, отслеживала:
- Движение клеток.
- Интенсивность флуоресценции актиновых волокон.
- Производные параметры (скорость движения, изменения структуры актина).
Ключевые открытия модели
- Дифференцировка — постепенный и децентрализованный процесс. Клетки не продвигаются синхронно, а следуют разным паттернам.
- Модель создала количественный индекс в реальном времени, присваивающий каждой клетке числовую оценку прогресса в дифференцировке. По мере прогресса подвижность клеток снижалась, а сигнал от актиновых волокон усиливался.
- Обнаружен новый регуляторный контрольный пункт: после завершения дифференцировки клетки выдерживают период около трёх часов, прежде чем начать слияние.
Роль фермента p38
Ранее было известно, что фермент p38 регулирует развитие мышц. Эксперимент подтвердил его критическую роль в контрольном пункте:
- При ингибировании p38 клетки застревали — они завершали дифференцировку (их оценка от модели продолжала расти), но не переходили к слиянию.
- Модель показала, что без p38 актиновые волокна организуются иначе.
- В ингибированных клетках был высокий уровень белков, организующих актин в цитоскелете (этап "готов к слиянию"), но низкий уровень белков, необходимых для самого слияния и сокращения.
"Клетки застревают в стадии 'готов к слиянию'... Мы считаем, что это центральный контрольный пункт, на котором мышца убеждается, что её клетки завершили подготовку", — говорит Авиноам.
Значение исследования
Работа не только раскрывает новые детали развития мышц, но и демонстрирует потенциал компьютерных моделей для выявления ключевых контрольных точек в динамических биологических процессах.
"Возможность непрерывно отслеживать переход клеток в реальном времени может в будущем помочь беспрецедентно мониторить прогрессирование болезней", — добавляет Зарицки.