ИИ помог ученым найти ген, связанный со старением кроветворных стволовых клеток
Исследователи из Университета Тохоку в Японии с помощью искусственного интеллекта выявили ген, который может играть ключевую роль в старении гемопоэтических стволовых клеток. Эти клетки находятся в костном мозге и на протяжении всей жизни производят новые клетки крови. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Гемопоэтические стволовые клетки способны самостоятельно обновляться и превращаться в разные виды клеток крови. Благодаря им организм может восстанавливать клетки, потерянные, например, из-за инфекции, кровотечения или химиотерапии. С возрастом количество таких клеток увеличивается, но их способность восстанавливать кроветворение постепенно снижается. Это может быть связано с возрастными изменениями крови, включая анемию, снижение иммунной защиты и тромбоз.
Что происходит со стволовыми клетками при старении
Чтобы лучше понять этот процесс, ученые изучили отдельные гемопоэтические стволовые клетки мышей разного возраста. Оказалось, что старение связано сразу с двумя изменениями в работе генов: первая программа поддерживает крайне незрелое состояние стволовых клеток, а вторая связана с подготовкой клеток к производству тромбоцитов — клеток крови, которые участвуют в остановке кровотечений.
Изменения начинались постепенно: гены, связанные с сохранением незрелого состояния, активировались еще до рождения, а программа, связанная с производством тромбоцитов — уже после. По мнению ученых, это указывает на непрерывный процесс старения стволовых клеток, который начинается задолго до пожилого возраста.
Как искусственный интеллект помог найти ключевой ген
Следующим этапом ученые попытались выяснить, какие именно гены могут управлять этими изменениями. Для этого они использовали Geneformer — модель искусственного интеллекта, обученную на данных об активности генов примерно 30 миллионов клеток. Затем они дополнительно обучили модель на данных примерно 160 тысяч молодых и старых стволовых и прогениторных клеток крови. Прогениторные клетки — это «потомки» стволовых клеток, которые уже частично определились с будущим типом клеток.
В итоге модель предсказала 143 гена-кандидата, которые потенциально могли переводить молодые стволовые клетки в состояние, характерное для старения. После лабораторных экспериментов ученые сузили список до одного ключевого фактора — гена-регулятора Pbx1.
Что показали эксперименты с Pbx1
В стареющих стволовых клетках Pbx1 был связан с генами, которые участвуют в сохранении незрелого состояния, старении и производстве тромбоцитов. Когда ученые увеличили уровень Pbx1 в молодых стволовых клетках, многие признаки стареющих клеток воспроизвелись. Также до 73,3% генов, активность которых повышалась под воздействием Pbx1, активировались в стареющих стволовых клетках.
Затем измененные клетки пересадили мышам, и они стали производить меньше эритроцитов и относительно больше тромбоцитов. Ученые предположили, что снижение производства эритроцитов может быть связано с тем, что Pbx1 подавляет работу другого гена — Gata1, который участвует в формировании клеток крови.
Старение может быть изменением состояния клеток
Авторы исследования считают, что полученные результаты помогают по-новому взглянуть на старение кроветворных стволовых клеток.
«Стареющие стволовые клетки крови часто описываются просто как клетки, утратившие свою функцию, но наши исследования показывают, что они не являются более слабой версией. Они просто переходят в другое, стабильное состояние со своими собственными тенденциями», — говорит один из авторов исследования.
В работе объединили анализ активности генов, искусственный интеллект и эксперименты на животных — это позволило определить один из возможных механизмов, связанных со старением кроветворных стволовых клеток.
Пока неизвестно, работает ли тот же механизм у людей — ученым предстоит выяснить, связан ли ген Pbx1 с развитием анемии, тромбоза, клонального кроветворения или рака крови у человека. Возможно, мы стоим на пороге новых открытий, которые повлияют на качество здорового старения у людей.