Nové transkriptomické hodiny „Pasta“ mapují stárnutí a omlazení buněk
Vědci vyvinuli nové, volně dostupné (open source) transkriptomické hodiny stárnutí nazvané Pasta a svá zjištění publikovali v preprintové studii. Tento nástroj umožňuje nejen měřit biologický věk buněk, ale také identifikovat látky a geny, které proces stárnutí ovlivňují. Nově objevené omlazující léky a genové zásahy by mohly najít uplatnění v regenerativní medicíně a terapiích pro dlouhověkost, zatímco faktory způsobující stárnutí by mohly být využity v protinádorové léčbě.
Jak hodiny Pasta fungují?
Hodiny Pasta (z anglického Predicting age-shift from transcriptomic analyses) byly vytvořeny na základě analýzy 17 212 zdravých vzorků z 21 různých studií. Model se neučí z absolutních hodnot aktivity genů, ale z pořadí (žebříčku) aktivity genů u dvojic vzorků ze stejné tkáně, jejichž věkový rozdíl byl alespoň 40 let. Tento přístup, který se zaměřuje na relativní pořadí, činí hodiny velmi univerzálními.
Díky tomu lze stejný model použít pro různé typy dat (hromadné RNA-seq, jednobuněčné RNA-seq i jiné platformy), aniž by bylo nutné provádět složité úpravy a korekce dat. V testech překonaly hodiny Pasta předchozí srovnávací modely, jako je MultiTIMER.
Biologický základ hodin: Od kmenových buněk po stárnutí
Analýza ukázala, že jádrem modelu je signalizace spojená s reakcí na poškození DNA, kterou řídí protein p53. Geny, které v modelu zvyšovaly věk, byly často cíle p53 (např. CDKN2A/p16), zatímco geny snižující věk vykazovaly aktivitu proti p53.
Hodiny Pasta dokázaly funkčně oddělit senescentní (stárnoucí, zastavené) buňky od proliferujících (dělících se) nebo klidových buněk. Přesně sledovaly proces stárnutí fibroblastů v laboratoři a naopak přiřadily výjimečně „mladé“ skóre embryonálním kmenovým buňkám a buňkám během omlazování pomocí faktorů OSKM. Tento nástroj tak dokáže zachytit celé spektrum od stavu kmenové buňky až po buněčnou senescenci. V klinickém kontextu věkové skóre z hodin Pasta u vzorků pacientů s rakovinou korelovalo lépe se stupněm nádoru a celkovým přežitím než chronologický věk.
Hledání látek pro omlazení a proti rakovině
Vědci použili hodiny Pasta k analýze databáze CMAP L1000, která obsahuje profily přibližně 3 milionů chemických sloučenin. Identifikovali 259 látek, které stárnutí způsobují (Aging), a 59 látek, které buňky omlazují (Rejuvenating).
Mezi látkami způsobujícími stárnutí byla vysoká koncentrace schválených chemoterapeutik (např. mitoxantron, doxorubicin). Naopak omlazující sloučeniny zahrnovaly inhibitory HDAC, MEK a GSK-3, což jsou třídy látek často používané v koktejlech pro chemické přeprogramování buněk. Dva z nálezů byly ověřeny v laboratoři: pralatrexát skutečně vyvolal stárnutí v buňkách melanomu, zatímco přírodní produkt piperlongumin podpořil v buňkách prostaty produkci genů spojených s kmenovostí, čímž potvrdil svůj omlazující profil.
Stejný přístup byl aplikován i na genetické modifikace, kde bylo identifikováno 841 genových zásahů způsobujících stárnutí a 54 omlazujících.
Co určuje, zda buňka omládne?
Aby vědci zjistili, které vnitřní vlastnosti buňky určují její reakci na omlazující či stárnoucí podněty, vypočítali pro různé buněčné linie takzvané skóre náchylnosti. Analýza ukázala, že klíčový je stav genu TP53: buněčné linie s dvěma neaktivními alelami tohoto genu téměř nereagovaly na podněty vyvolávající stárnutí.
Buňky náchylné ke stárnutí byly „nastaveny“ na oxidační stres a měly vyšší expresi proteinů spojených s mitochondriemi. Naopak buňky náchylné k omlazení měly vyšší expresi proteinů pro remodelaci chromatinu a často jim chyběly kopie genů, které brání epigenetickým změnám. Tyto poznatky mohou v budoucnu pomoci navrhnout účinnější a personalizované omlazující a protinádorové terapie.