С ВОЗРАСТОМ КЛЕТКИ ПЕРЕСТАЮТ ОТВЕЧАТЬ В УНИСОН

Одна из ведущих идей в биологии старения состоит в том, что случайные молекулярные повреждения — мутации в ДНК наших клеток и сбившиеся химические метки — накапливаются в течение жизни и постепенно нарушают то, как гены включаются и выключаются. Биологи называют это транскрипционной дерегуляцией. Загадка в том, что эти повреждения случайны: каждая клетка накапливает свой собственный, отличный от других набор. Как же такие разрозненные повреждения складываются в узнаваемый упадок, характерный для старения?

В поисках нужного сигнала

Гены управляются сетями других генов, которые согласуют их активность и гасят возмущения. Если старение разрушает эти сети, повреждение, начавшееся локально, может распространиться. Но измерить это разрушение трудно. Если смотреть, насколько отдельные гены различаются от клетки к клетке, результаты получаются противоречивыми: одно систематическое сравнение даже показало, что этот «транскрипционный шум» не растёт с возрастом последовательно. Та же группа ранее показала, что согласованность между генами в целом снижается с возрастом, но эта общая мера не могла сказать, какие именно гены и какие клетки «уплывают».

Юнцзянь Хэ, Орр Леви и Джулия Ханна Хаддад Гез из Университета Бар-Илан в Израиле вместе с Сюй-Вэнь Ваном из Brigham and Women’s Hospital и Гарвардской медицинской школы задали другой вопрос. Если регуляторные сети старых клеток всё сильнее отличаются друг от друга, то выключение одного и того же гена должно давать всё более разные эффекты от клетки к клетке. Сделать это по-настоящему для множества генов и тысяч молодых и старых клеток в больших масштабах невозможно.

Нокаут in silico

Поэтому они использовали разработанный ими инструмент глубокого обучения — DKO. Для заданного типа клеток нейросеть по обычным данным секвенирования отдельных клеток учится тому, как набор генов, экспрессируемых клеткой, связан с её полным профилем активности. После обучения она может удалить из клетки один ген и предсказать новый профиль. Разница «до» и «после» измеряет влияние этого гена в данной клетке. Повторив это для множества клеток, можно увидеть, насколько это влияние постоянно.

Сначала — проверка на здравый смысл на смоделированных генных сетях, намеренно повреждённых случайным образом. По мере роста повреждений истинные эффекты точных нокаутов становились всё более изменчивыми между клетками — и DKO, видя лишь данные, выглядевшие неповреждёнными, предсказал тот же рост.

Старые клетки расходятся

Затем — реальные данные: яичники человека (женщины 23–29 лет против 49–54), скелетные мышцы человека (15–20 против 70–75 лет), костный мозг и сердце мыши (3 против 24 месяцев), черви C. elegans (3-й день против 11-го) и мозг плодовой мушки (0-й день против 30-го).

В 45 сравнениях тканей и типов клеток эффект нокаута одного и того же гена сильнее различался у старых клеток в 41 случае, причём статистически значимо — в 40. В четырёх случаях различия были меньше. Направление не было универсальным, отмечают авторы, но преобладающая закономерность была очевидна. Она сохранялась, даже когда сеть обучали только на молодых или только на старых клетках.

Два признака старения указывали в ту же сторону. В клетках поджелудочной железы пяти человек клетки, несущие больше всего возрастной мутационной сигнатуры, давали наиболее расходящиеся ответы — у четырёх из пяти; у пятого уровни мутаций были слишком однородными, чтобы делать выводы. Похожие результаты получены на клетках сердца старых мышей. А в двух моделях клеточного старения (сенесценции) — состояния, в которое приходят клетки, переставшие делиться, — ответы становились всё более разбросанными по мере перехода клеток от деления к сенесценции, и внутри одной группы сильнее всего отклонялись самые «состарившиеся» клетки.

Распадающийся свод правил

Авторы трактуют это как прогрессирующую потерю регуляторной устойчивости на уровне отдельных генов и отдельных клеток, общую для столь далёких видов, как люди и черви. Предлагаемая ими картина: мутации накапливаются и разводят клетки в разные стороны, а сенесценция может быть одним из следствий утраченной стабильности.

Они аккуратно оговаривают, чем эта работа не является. Нокауты — это предсказания модели, а не измерения в этих клетках. Связи с мутациями и сенесценцией — это ассоциации; они не доказывают, что является причиной чего. Если случайные повреждения действительно вызывают это расхождение, полагают авторы, методы лечения, нацеленные на какой-то один механизм старения, могут оказаться недостаточными, и важным может стать сохранение устойчивости самого управления генами. Следующий шаг — за лабораторией: проверить, ген за геном, действительно ли старые клетки отвечают невпопад.