Как на самом деле стареет тело: 7 миллионов клеток картированы в 21 органе

Новое исследование, опубликованное в Наука предлагает беспрецедентный взгляд на этот процесс. Исследователи из Университета Рокфеллера создали самый подробный на данный момент атлас того, как старение влияет на тысячи подтипов клеток в 21 ткани млекопитающих. Изучив почти 7 миллионов отдельных клеток мышей трех разных возрастов, команда определила, какие клетки наиболее уязвимы с течением времени и какие факторы могут способствовать их упадку.

«Наша цель состояла в том, чтобы понять не только то, что меняется со старением, но и почему», — говорит Джуньюэ Цао, возглавляющий Лабораторию геномики одиночных клеток и динамики популяций. «Сопоставляя как клеточные, так и молекулярные изменения, мы можем определить, что движет старением. Это открывает двери для вмешательств, направленных на сам процесс старения».

Одним из наиболее поразительных открытий стало то, что многие возрастные изменения происходят синхронно во многих органах. Исследователи также обнаружили, что почти половина этих изменений различается у мужчин и женщин.

Массовая клеточная перепись в 21 органе

Чтобы составить карту старения в этом масштабе, команда Цао под руководством аспиранта Зию Лу усовершенствовала метод, известный как одноклеточный ATAC-seq. Этот подход изучает, как ДНК упакована внутри каждой клетки, выявляя, какие области генома доступны и активны, что является ключевым индикатором состояния и функционирования клетки.

Исследователи применили этот метод к миллионам отдельных клеток, взятых из 21 органа у 32 мышей в трех возрастах: один месяц (молодой взрослый), пять месяцев (средний возраст) и 21 месяц (пожилой).

«Примечательно то, что весь этот атлас был создан одним аспирантом», — говорит Цао. «Большинство крупных атласов, подобных этому, требуют крупных консорциумов с десятками лабораторий, но наш метод гораздо более эффективен, чем другие подходы».

В общей сложности лаборатория выявила более 1800 различных подтипов клеток, включая множество редких групп, которые никогда не были полностью описаны. Затем команда проследила, как количество этих клеток менялось по мере того, как мыши переходили от молодого возраста к среднему возрасту, а затем к старости.

Ранние и скоординированные клеточные сдвиги

На протяжении десятилетий ученые считали, что старение в основном меняет функционирование клеток, а не количество существующих клеток каждого типа. Новый анализ бросает вызов этой точке зрения. Численность около четверти всех типов клеток со временем демонстрировала значительные изменения. Популяции определенных мышечных и почечных клеток резко сократились, в то время как иммунные клетки значительно увеличились.

«Система гораздо более динамична, чем мы предполагали», — говорит Цао. «И некоторые из этих изменений начинаются на удивление рано. К пяти месяцам жизни некоторые популяции клеток уже начали сокращаться. Это говорит нам о том, что старение — это не просто то, что происходит в конце жизни; это продолжение продолжающихся процессов развития».

Не менее удивительным было то, насколько синхронизированы были эти изменения. Подобные клеточные состояния возникали и падали одновременно в разных органах. Эта закономерность предполагает, что общие сигналы, возможно, факторы, циркулирующие в кровотоке, помогают координировать старение во всем организме.

Исследование также выявило выраженные различия между мужчинами и женщинами. Примерно 40 процентов изменений, связанных со старением, существенно различались в зависимости от пола. Например, с возрастом у женщин наблюдалась гораздо более широкая иммунная активация.

«Возможно, этим можно объяснить более высокую распространенность аутоиммунных заболеваний у женщин», — предполагает Цао.

Генетические «горячие точки» и будущие методы борьбы со старением

Помимо подсчета того, как менялись клеточные популяции, исследователи изучили, как со временем менялись доступные участки ДНК внутри этих клеток. Из 1,3 миллиона проанализированных геномных регионов около 300 000 показали значительные изменения, связанные со старением. Около 1000 из этих изменений произошли во многих различных типах клеток, что подтверждает идею о том, что общие биологические программы вызывают старение во всем организме. Многие из этих общих областей были связаны с иммунной функцией, воспалением или поддержанием стволовых клеток.

«Это бросает вызов идее о том, что старение — это просто случайный распад генома», — говорит Цао. «Вместо этого мы видим конкретные «горячие точки» регулирования, которые особенно уязвимы, и это именно те регионы, которые нам следует изучать, если мы хотим понять, что движет процессом старения».

Когда команда сравнила свои результаты с более ранними исследованиями, они обнаружили, что иммунные сигнальные молекулы, называемые цитокинами, могут вызывать многие из тех же клеточных изменений, которые наблюдаются во время старения. Цао предполагает, что препараты, предназначенные для регулирования этих цитокинов, потенциально могут замедлить скоординированные процессы старения во многих органах.

«Это действительно отправная точка», — говорит Цао. «Мы определили уязвимые типы клеток и молекулярные горячие точки. Теперь вопрос в том, сможем ли мы разработать меры вмешательства, направленные на эти конкретные процессы старения. Наша лаборатория уже работает над этим следующим шагом».

Полный атлас старения доступен для общественности по адресу: epiage.net.