Неожиданные изменения в популяциях клеток пересматривают понимание процесса старения

Новое исследование показывает, что старение у млекопитающих на клеточном уровне происходит не линейно, а скачкообразно, подобно тому, как лиственные деревья сбрасывают листву в ответ на сигнал окружающей среды.

Учёные из Лаборатории одноклеточной геномики и популяционной динамики Рокфеллеровского университета под руководством Джуньюэ Као провели масштабное исследование, результаты которого опубликованы в журнале Science.

Универсальная платформа для анализа

Исследователи использовали метод одноклеточного секвенирования EasySci, адаптированный аспирантом Чжао Чжаном для работы со всеми основными органами мыши. Это позволило создать унифицированную платформу для системного изучения механизмов старения и болезней во всём организме.

В ходе работы были проанализированы одноядерные транскриптомные профили примерно 21 миллиона клеток, взятых из более чем 600 образцов самцов и самок мышей на пяти этапах жизни — от молодого до пожилого возраста. Этот набор данных, названный PanSci, является крупнейшим в мире атласом клеток млекопитающих в рамках одного исследования.

Критические временные окна

Анализ выявил более 10 основных типов клеток и 200 клеточных подтипов, которые последовательно претерпевают значительное возрастное истощение или расширение популяции.

• В ранней взрослой жизни (3–12 месяцев у мышей) определённые клеточные подтипы в жировой, мышечной и эпителиальной тканях резко сокращаются в количестве.
• В поздней взрослой жизни (12–23 месяца у мышей) наблюдается взрывной рост числа различных типов иммунных клеток.

«Мы выявили клеточную основу каждого фазового перехода и задокументировали, что они происходят не постепенно, а на определённых этапах жизни», — говорит Као.

Многие из этих изменений были связаны с определённой экспрессией генов, независимо от локализации клеток. Это указывает на то, что процессом могут управлять одни и те же молекулярные механизмы.

Роль иммунных клеток и редких популяций

Особенно заметным был рост популяций иммунных клеток в позднем возрасте. Избыток B- и T-клеток может вызывать воспалительные и аутоиммунные состояния. Исследование двух иммунодефицитных мышей, лишённых этих клеток, показало, что их отсутствие обратило вспять некоторые возрастные изменения в других типах клеток.

Также были обнаружены экстремально малые кластеры новых типов клеток, некоторые численностью всего около 500 клеток. Их роль в старении ещё предстоит изучить, но, как отмечает Као, редкие клетки (например, в гипофизе) могут выполнять критически важные функции.

Возрастные и половые различия

Неожиданным открытием стали сотни клеточных состояний, которые различались между самцами и самками мышей во всех органах. К ним относятся клетки-предшественники адипоцитов, а также специфичное для самок расширение популяции стареющих B-клеток.

Эти различия могут частично объяснять, почему женщины, особенно пожилые, страдают аутоиммунными заболеваниями чаще мужчин. Результаты подчёркивают важность включения образцов обоих полов в исследования старения и болезней.

Ресурс для будущих открытий

Набор данных PanSci представляет собой «золотую жилу» для будущих исследований. Учёные планируют глубже изучить клеточные подтипы, демонстрирующие половые различия и вовлечённые в процесс старения.

«Я думаю, наши результаты можно будет использовать для определения клеточной основы некоторых заболеваний, специфичных для пола», — говорит Као.

Набор данных также идеально подходит для обучения больших моделей машинного обучения для прогнозирования возраста, поиска редких типов клеток и создания виртуальных клеток для компьютерного моделирования.