Monitorizarea procesului de îmbătrânire la milioane de celule individuale
Deși procesul de îmbătrânire rămâne învăluit în mister, schimbările în timp constituie esența sa. Modificările biologice ce însoțesc îmbătrânirea par să aibă loc în multe celule ale organismului.
Problema constă în faptul că avem zeci de miliarde de celule, iar ce anume se schimbă în majoritatea acestora rămâne necunoscut, în parte din cauza limitărilor tehnice tradiționale.
De aceea, Junyue Cao de la Rockefeller a dezvoltat un set de instrumente avansate de analiză genomică la nivel de celulă unică, care pot examina cum afectează îmbătrânirea starea moleculară a zeci de milioane de celule din creier simultan.
Laboratorul lui Cao a produs două noi instrumente și concepte pentru a studia schimbările moleculare, expresia genică și dinamica intercelulară a îmbătrânirii. În lucrările publicate în Nature Neuroscience și Cell Genomics, Cao și echipa sa descriu fiecare dintre noile tehnologii și perspectivele biologice pe care le-au obținut deja.
Aceste abordări abordează esențial două căi diferite pentru a înțelege diferitele elemente ale dinamicii celulare și procesele moleculare care însoțesc îmbătrânirea.
Laboratorul lui Cao se specializează în dezvoltarea de noi tehnici de secvențiere a celulelor unice cu înaltă capacitate, care dezvăluie expresia genetică și dinamica moleculară a milioane de celule individuale simultan.
Deși aceste metode pot fi utilizate pentru diverse analize, laboratorul lui Cao se concentrează pe îmbătrânire. Echipa sa a folosit anterior secvențierea celulelor unice pentru a identifica tipuri rare de celule cerebrale, a urmări cum îmbătrânesc celulele cerebrale, a identifica celulele cele mai vulnerabile la declinul legat de vârstă și a descoperi că îmbătrânirea ar putea reprezenta o etapă de dezvoltare declanșată de anumite semnale moleculare.
Cele două noi abordări dezvoltate de laboratorul lui Cao, IRISeq și EnrichSci, abordează îmbătrânirea celulară din unghiuri diferite.
IRISeq se bazează pe descoperiri recente care arată că ADN-ul poate acționa ca un fel de cod de bare molecular sau chiar un instrument de măsurare, înregistrând care molecule sunt apropiate unele de altele, spune Abdulraouf Abdul, un student M.D.-Ph.D. în laboratorul lui Cao. „În ultimele secole, oamenii de știință s-au bazat pe microscoape pentru a studia țesuturile și a înțelege cum sunt organizate celulele. Ne-am întrebat, oare ADN-ul ar putea fi folosit pentru a cartografia întregi țesuturi fără a folosi deloc un microscop?”
Tehnica a fost concepută pentru a face exact acest lucru. Într-un studiu condus de Abdul și Weirong Jiang, un asociat de cercetare în laboratorul lui Cao, echipa a dezvoltat o abordare cu capacitate înaltă, fără optică, care utilizează milioane de bile de dimensiuni micrometrice cu coduri de bare pentru a captura informații locale de expresie genică în țesuturi. Bilele schimbă semnale bazate pe ADN cu bilele din apropiere, permițând cercetătorilor să reconstituie unde se află celulele în țesut, totul fără un microscop. Abdul și colegii săi au descris munca în Nature Neuroscience.
„Cu IRISeq, putem reconstrui dispunerea țesuturilor la diferite niveluri de detaliu – aproape ca și cum am mări sau micșora o hartă – fără a face vreodată o singură fotografie. Aceasta înseamnă că putem studia bucăți foarte mari de țesuturi sau multe secțiuni de țesuturi într-un mod care ar fi mult mai dificil sau costisitor cu metodele tradiționale de imagistică”, afirmă el. „În esență, am transformat secvențierea într-o nouă modalitate de a vedea biologia la o fracțiune din cost.”
Adaugă Cao, „Putem folosi această interacțiune pentru a observa cum celulele sunt influențate de interacțiunile externe între celule în timpul procesului de îmbătrânire. Poate explora interacțiunile dintre practic orice două sau mai multe tipuri de celule din orice parte a creierului în același timp.”
Folosind această abordare, echipa a cartografiat vecinătățile celulare inflamatorii din creierul îmbătrânit. Au descoperit că subtipurile inflamatorii de microglie, oligodendrocite și astrocite tind să se grupeze în materia albă și interacționează între ele. Aceste descoperiri sugerează că materia albă ar putea fi o regiune vulnerabilă a creierului îmbătrânit unde apar și se întăresc stările celulare asociate cu boli.
De exemplu, au constatat că celulele imune numite limfocite joacă un rol major în generarea inflamației în creierul îmbătrânit într-un mod foarte specific.
„Activitatea lor este concentrată în anumite regiuni, în special în apropierea spațiilor umplute cu lichid ale creierului, cunoscute sub numele de ventriculi”, spune Abdul. „Fără informații spațiale, această activitate imună localizată ar fi fost ușor de ratat.”
„Cunoașterea atât a tipurilor de celule care se grupează împreună, cât și a locului în care se întâmplă acest lucru poate oferi ținte potențiale pentru intervenții anti-îmbătrânire”, afirmă Cao.
Cel de-al doilea instrument, numit EnrichSci, publicat în Cell Genomics, este o metodă de secvențiere a ARN-ului la nivel de nucleu unic care vizează și izolează mai întâi celulele rare, dar biologic relevante, dintr-o populație mixtă de celule, crescând procentajul tipului de celulă țintă din eșantion. După îmbogățirea celulelor rare țintă, EnrichSci se concentrează apoi asupra programării moleculare a fiecărei celule.
Cercetătorii au aplicat EnrichSci în creierul îmbătrânit al șoarecilor pentru a îmbogăți populațiile rare de celule pe care le-au identificat anterior ca fiind deosebit de vulnerabile la modificări problematice în timpul îmbătrânirii, printre care subtipuri de oligodendrocite, care se găsesc exclusiv în sistemul nervos central. Aceste celule învelește axonii neuronali din creier și măduva spinării și sunt legate de boli neurodegenerative. În aceste subtipuri îmbătrânite, cercetătorii au descoperit modificări atât în expresia genică, cât și în elementele genetice influente numite exoni, care sunt esențiale pentru reglarea post-transcripțională a genelor.
„Exonii sunt părțile genelor care constituie transcrierile de ARN mature care fie sunt traduse în proteine, fie îndeplinesc alte funcții biologice”, descrie primul autor Andrew Liao, un student M.D.-Ph.D. în laboratorul lui Cao.
Modificările exonice pe care le-au identificat au relevat că reglarea post-transcripțională joacă un rol important în modul în care oligodendrocitele îmbătrânesc și ar putea oferi noi ținte pentru modularea acestor schimbări în neurodegenerarea legată de vârstă.
„Surprinzător, am descoperit, de asemenea, că multe gene nu suferă modificări semnificative în expresie pe parc
