_ Magazin de modele de învățare automată o nouă lumină asupra dezvoltării musculare

Științele vieții nu au fost niciodată mai digitale. Pentru a afla mai multe despre procesele vieții, biologii colectează cantități masive de date pe care oamenii de știință le analizează prin intermediul modelelor computaționale sofisticate pe care le dezvoltă.

În ultimii ani, dr. Ori Avinoam de la Departamentul de Științe Biomoleculare de la Institutul de Științe Weizmann s-a confruntat cu o dilemă biologică nerezolvată: Cum generează celulele stem noi fibre musculare?

În căutarea unui răspuns, Avinoam a apelat la prietenul său, Dr. Assaf Zaritsky de la Software. și Departamentul de Inginerie a Sistemelor Informaționale de la Universitatea Ben-Gurion din Negev și împreună au început să dezvolte un model de învățare automată capabil să urmărească acest proces biologic complex.

Așa cum raportează cercetătorii în Biologia sistemelor moleculare, modelul lor ar putea atașați scoruri numerice fiecărei celule în cursul maturizării sale unice – iar acest lucru le-a permis să definească un nou punct de control de reglementare în acest proces.

Celulele stem din care se dezvoltă țesutul muscular sunt create în embrion, dar câteva dintre ele sunt încă prezente în mușchii adulți. Aceste celule sunt latente de cele mai multe ori, dar în timpul creșterii, activității fizice intense sau rănilor ele trec în acțiune.

În prima etapă, celulele stem se divid pentru a-și crește numărul. Apoi se opresc din divizarea și trec prin ceea ce este cunoscut sub numele de diferențiere - o parte a procesului de maturare în care celulele se specializează în îndeplinirea unei funcții unice și dobândesc trăsăturile necesare pentru a o îndeplini.

În cazul țesutului muscular, celulele stem care se diferențiază devin alungite, încep să sintetizeze fibrele proteice care conferă mușchilor capacitatea lor caracteristică de a se contracta și apoi migrează oriunde se regenerează țesutul.

Odată ce ajung la destinație, fuzionează împreună pentru a forma unul. celulă lungă, cunoscută sub numele de fibre musculare. O colecție a acestor celule este ceea ce alcătuiește întregul mușchi. Până acum, însă, oamenii de știință au avut dificultăți în a înțelege modul în care celulele stem progresează pe această cale de specializare și ce le determină să treacă de la o etapă la alta.

Căutând să răspundă acestor întrebări, Giulia Zarfati și Adi Hazak de la Laboratorul lui Avinoam a documentat în timp real cum se dezvoltă fibrele musculare din celulele stem izolate de la șoareci. Ei au decis să se concentreze pe două schimbări: mișcarea celulelor și fabricarea fibrelor proteice în interiorul lor, care este esențială pentru generarea unui mușchi adult capabil să se contracte.

Pentru a urmări mișcarea acestor celule, cercetătorii și-au marcat fluorescent nucleele și una dintre componentele proteice, numită actină, care este esențială pentru fabricarea fibrelor. De-a lungul unui proces de diferențiere de o zi, cercetătorii au creat numeroase videoclipuri care documentează, până la nivelul unei singure celule, etapele prin care sute de celule stem devin celule musculare adulte și fuzionează într-o nouă fibră.

După ce au colectat date biologice abundente, oamenii de știință au făcut echipă cu studentul de cercetare Amit Shakarchy de la laboratorul lui Zaritsky pentru a construi un model care să reprezinte cu exactitate acest proces dinamic.

„Cele două grupuri de cercetare au trebuit să învețe limba celuilalt”. explică Avinoam. „Echipa lui Assaf a învățat ce este o celulă musculară diferențiată și cum știm când s-a fuzionat cu alte celule pentru a forma fibra musculară. Echipa mea a trebuit să studieze elementele de bază ale învățării automate și cum să analizeze datele colectate dintr-o secvență de observații în momente diferite. . Apoi a trebuit să stabilim împreună cum să transpunem procesul biologic într-un model computațional capabil să-i urmărească progresul.”

Construirea unui model computerizat care să poată monitoriza un proces biologic dinamic este o provocare uriașă. „Mai întâi, a trebuit să decidem cum să definim momentul în care o celulă a fost diferențiată”, explică Zaritsky.

„După aceea, a trebuit să alegem dacă și cum să folosim această informație temporală. Am decis să o încorporăm în timp ce antrenăm un model supravegheat care urmărește mișcarea celulelor și intensitatea luminii fluorescente emise de fibrele de actină pe care le conțin. Modelul a examinat, de asemenea, derivate ale acestor date, cum ar fi modificările vitezei de mișcare a celulelor și modul în care structura fibrelor de actină se modifică în timp.”

Cercetătorii au descoperit că, pe măsură ce procesul de diferențiere a progresat, motilitatea celulelor a scăzut, în timp ce puterea semnalului de la fibrele lor de actină a crescut.

Modelul de învățare automată, antrenat să facă distincția între celulele stem și celulele musculare adulte, a creat o imagine în timp real. indice cantitativ care dă un scor numeric fiecărei celule individuale, în funcție de cât de mult a progresat în diferențierea ei. Când modelul a fost testat pe experimente pentru care nu a fost antrenat, cercetătorii au descoperit că majoritatea celulelor stem au obținut treptat un scor mai mare în timpul procesului de diferențiere, atingând nota cea mai înaltă când procesul a fost finalizat.

" Modelul ne-a arătat că diferențierea este un proces gradual și descentralizat, astfel încât celulele nu progresează împreună în etape, ci mai degrabă urmează modele diferite de progres”, spune Avinoam. „A fost o descoperire neașteptată, deoarece am presupus că celulele vor prezenta un comportament colectiv.”

„Abilitatea de a urmări continuu tranziția celulelor în timp real ne-ar putea ajuta în viitor să monitorizăm progresul bolilor în un mod fără precedent. Astăzi, de exemplu, examinăm excrescențe canceroase prin luarea unei biopsii, o prelevare care este înghețată în timp și nu ne oferă informații în curs despre un proces biologic dinamic”, adaugă Zaritsky.

Deși modelul a sugerat că diferite celule își încheie procesul de maturare în momente diferite, a constatat, de asemenea, că, din momentul finalizării, există o perioadă constantă de aproximativ trei ore înainte ca acestea să fuzioneze și să devină fibre musculare. Acest lucru i-a determinat pe cercetători să postuleze că, la un anumit punct de control, fiecare celulă se asigură că într-adevăr a terminat diferențierea și abia apoi pune în mișcare procesul de fuziune.

Studiile anterioare sugerau că o enzimă numită p38 reglează dezvoltarea musculară, dar rolul său precis nu era cunoscut. Pentru a testa dacă enzima a fost componenta crucială a etapei punctului de control, cercetătorii i-au inhibat activitatea și au descoperit că, într-adevăr, celulele s-au blocat: nu s-au fuzionat într-o nouă fibră musculară.

Când cercetătorii au rămas blocați. au executat modelul de calcul, au văzut că celulele în care enzima a fost blocată au primit un scor numeric care a continuat să crească. Cu alte cuvinte, chiar și în absența enzimei, aceștia și-au încheiat cu succes procesul de diferențiere, dar nu au continuat până la stadiul de fuziune. Cercetătorii au concluzionat că punctul de control vine la sfârșitul procesului de diferențiere, dar înainte de etapa de fuziune. Dar de ce celulele s-au blocat la acest pas în absența enzimei?

Modelul a sugerat o posibilă explicație, arătând că atunci când activitatea enzimei a fost inhibată, fibrele de actină s-au organizat într-un mod diferit în timpul diferențierii .

Când cercetătorii au măsurat nivelul de proteine ​​exprimat în celulele inhibate, descoperirile au confirmat predicția modelului: celulele au exprimat un nivel ridicat de proteine ​​care sunt responsabile pentru organizarea fibrelor de actină în citoschelet - un etapă importantă în procesul de diferențiere și în pregătirea celulelor pentru fuziune. În același timp, celulele aveau niveluri mai scăzute ale proteinelor necesare fuziunii, cele care ajută la crearea fibrelor musculare adulte și permit mușchilor să se contracte.

„Celulele se blochează într-o etapă de „gata de fuzionare””, spune Avinoam. „Așadar, atunci când enzima devine activă din nou, ei pot relua procesul de fuziune. De fapt, credem că acesta este punctul central de control la care mușchiul se asigură că celulele sale și-au încheiat pregătirea pentru fuziunea într-o nouă fibră musculară. lumina asupra dezvoltării musculare, această descoperire arată că modelele computerizate sunt capabile să identifice puncte de control importante în procesele biologice dinamice.”

(Fluierul)