Когда зародыш начинает развиваться, его клетки постепенно превращаются из универсальных в специализированные — например, в клетки мозга, печени или мышц. Этот процесс зависит от того, какие гены в каждой клетке включаются или выключаются. Решение о том, кем станет клетка, принимается не в одиночку: клетки постоянно обмениваются химическими сигналами с соседями, чтобы понять свое место и задачу в организме. Эти сигналы передаются по особым цепочкам внутри клетки — сигнальным путям — и влияют на активность генов.
Долгое время ученые считали, что каждый тип клетки по-своему реагирует на одни и те же сигналы, и поэтому приходилось изучать каждый путь отдельно для каждой клетки — это было очень трудоемко. Но недавно исследователи из Института Уайтхеда обнаружили, что каждый сигнальный путь оставляет уникальный след, своего рода «отпечаток пальца» в виде определенного набора активных генов. Такой след похож у разных типов клеток, если они получили один и тот же сигнал. Это значит, что теперь можно уточнить, какие сигналы проходили через любую клетку, не изучая каждый тип отдельно.
Ученые создали модель искусственного интеллекта IRIS, которая умеет распознавать «отпечатки» и определять, какие сигналы клетка получала на разных этапах развития. IRIS обучили на данных о реакциях человеческих стволовых клеток на различные комбинации сигналов. После этого модель успешно предсказала, как активируются пути в клетках эмбриона мыши, из которых формируются сердце, кишечник, мышцы и спинной мозг.
Благодаря IRIS ученые могут быстрее объяснить, как клетки «общаются» между собой, и использовать эти знания, чтобы управлять развитием стволовых клеток в лаборатории. Например, модель помогла найти сигналы, нужные для превращения клеток в легочные, и это подтвердилось в экспериментах. Такие достижения ускорят создание мини-органов для изучения болезней и поиска лекарств, включая астму, рак легких и фиброз. В будущем это может помочь восстанавливать поврежденные ткани и разрабатывать новые методы лечения.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что клетки-долгожители помогут увеличить производство лекарственных белков.