Как новый алгоритм предсказывает судьбу клетки по одному генетическому снимку

Исследователи из Каролинского института и KTH разработали вычислительный метод, который может раскрыть, как клетки меняются и специализируются в организме. Исследование, опубликованное в журнале PNAS, может дать важные знания о том, почему этот процесс иногда нарушается и приводит к болезни.

Клеточная дифференцировка — фундаментальный процесс в организме. Он позволяет стволовым клеткам развиваться в различные типы клеток, например, в нейроны мозга или иммунные клетки. Когда процесс нарушается, это может привести к серьёзному заболеванию, но изучать его сложно.

Основная проблема современных методов анализа отдельных клеток (single-cell) в том, что они разрушают клетки при измерении. Это означает, что исследователи получают лишь один снимок во времени.

Чтобы решить эту проблему, исследователи создали алгоритм MultistageOT. Он основан на математических принципах, известных как оптимальный транспорт, и может восстановить весь процесс развития по одному снимку уровней экспрессии генов клеток.

"Когда мы секвенируем клетку, она разрушается, и мы не знаем, как эта клетка будет выглядеть в будущем. Наш метод позволяет смоделировать весь процесс развития, даже если клетки наблюдаются в единственный момент времени", — говорит Магнус Тростад, аспирант кафедры медицины, Солна, Каролинский институт.

Может предсказать, как клетки созревают

Алгоритм учится заполнять недостающие промежуточные стадии развития и, следовательно, может предсказать, как клетки созревают и какую функцию будут выполнять. В исследовании метод был протестирован на данных о развитии клеток крови — сложной системе, где стволовые клетки дают начало многим различным типам кровяных клеток.

Результаты показывают, что MultistageOT способен не только восстанавливать траектории развития, но и идентифицировать клетки, отклоняющиеся от ожидаемого процесса. Это важный механизм для избежания ложных выводов.

"Это даёт нам мощный инструмент, чтобы понять, как клетки 'принимают решения' о своём будущем. Это центральный вопрос для понимания того, как возникают болезни, когда дифференцировка идёт не так", — говорит Йоаким Далин, доцент той же кафедры Каролинского института.

Исследователи подчёркивают, что метод является общим и может использоваться в различных биологических системах, даже за пределами животного мира.

Исследование — результат сотрудничества учёных Каролинского института и профессора Йохана Карлссона из KTH. Финансирование осуществлялось Vetenskapsrådet, Cancerfonden и Каролинским институтом. Исследователи заявляют об отсутствии конфликта интересов.