Inteligența artificială a descoperit un mecanism important al îmbătrânirii sângelui. Cum a filtrat informația și a ghidat cercetătorii spre o anumită genă

Inteligența artificială a descoperit un mecanism important al îmbătrânirii sângelui. AI i-a ajutat pe cercetători să identifice unul dintre mecanismele prin care celulele stem responsabile de producerea sângelui își schimbă comportamentul odată cu înaintarea în vârstă.

În centrul descoperirii se află Pbx1, un factor care reglează activitatea mai multor gene și care pare să împingă sistemul sanguin către o stare caracteristică îmbătrânirii, scrie Medical Express.

Studiul a fost realizat de cercetători de la Universitatea Tohoku din Japonia și publicat inițial în revista „Science Advances". Echipa a folosit un model de inteligență artificială pentru a selecta genele care ar putea controla îmbătrânirea celulelor stem hematopoietice, după care a verificat predicțiile prin analize moleculare și experimente pe șoareci.

Rezultatele oferă o explicație mai clară pentru dezechilibrele care apar în producerea celulelor sanguine pe măsură ce organismul înaintează în vârstă.

Mecanism important al îmbătrânirii sângelui: Celulele își schimbă prioritățile odată cu vârsta

În măduva osoasă se găsește o populație rară de celule stem hematopoietice (celulele mamă ale sângelui). Acestea se pot autoreînnoi și pot da naștere tuturor tipurilor de celule din sânge: globule roșii, globule albe și trombocite.

Activitatea lor este esențială pe tot parcursul vieții. Ele înlocuiesc celulele pierdute în mod natural, refac sângele după o hemoragie și contribuie la recuperarea organismului după infecții sau tratamente precum chimioterapia.

Îmbătrânirea produce însă o situație aparent contradictorie. Numărul celulelor stem hematopoietice poate crește, dar capacitatea lor de a reconstrui un sistem sanguin echilibrat scade.

Ele tind să producă mai puține globule roșii și limfocite, în timp ce se orientează mai mult către anumite linii celulare, inclusiv cea din care provin trombocitele.

Acest dezechilibru este analizat ca posibil factor în apariția anemiei, reducerea eficienței sistemului imunitar, formarea cheagurilor și dezvoltarea unor boli ale sângelui asociate vârstei.

Cercetătorii încearcă de mult timp să afle dacă transformarea este rezultatul unei degradări generale sau dacă celulele intră într-o stare biologică distinctă, controlată de un program genetic propriu.

Noul studiu susține cea de-a doua explicație. Celulele îmbătrânite nu par să fie numai versiuni mai slabe ale celor tinere, ci celule care au adoptat un alt mod de funcționare.

Oamenii de știință au analizat celule individuale recoltate de la șoareci de vârste diferite. Ei au descoperit că celulele stem îmbătrânite activează simultan două programe genetice.

Unul le menține într-o stare foarte imatură, iar celălalt le pregătește să producă megacariocite, celulele mari din măduva osoasă din care se formează trombocitele.

Modificările nu apar brusc la bătrânețe. Programul asociat stării primitive începe să se contureze foarte devreme, iar activitatea genelor legate de producerea trombocitelor crește progresiv după naștere.

Îmbătrânirea sistemului sanguin ar fi, prin urmare, un proces continuu, construit treptat de-a lungul vieții.

Cum a restrâns inteligența artificială căutarea

Una dintre marile dificultăți ale cercetării genetice este numărul uriaș de relații care trebuie analizate. Fiecare celulă activează mii de gene, precizează autorii articolului menționat, iar comportamentul său depinde nu doar de activitatea fiecărei gene, ci și de interacțiunile dintre ele.

Pentru a identifica posibilii „coordonatori" ai îmbătrânirii, echipa a folosit Geneformer, un model de inteligență artificială antrenat pe date privind expresia genelor din aproximativ 30 de milioane de celule.

Cercetătorii au adaptat apoi modelul folosind informații provenite de la aproximativ 160.000 de celule stem și progenitoare hematopoietice, atât tinere, cât și îmbătrânite.

Sistemul a analizat diferențele dintre ele și a estimat ce gene ar putea determina trecerea unei celule tinere spre o stare asemănătoare celei observate la vârste înaintate.

În urma analizei au rezultat 143 de gene candidate. Această listă nu a fost considerată o concluzie în sine. Cercetătorii au verificat genele în laborator, au analizat expresia genetică și modificările epigenetice și au urmărit efectele lor în experimente de transplant efectuate pe șoareci.

Distincția este importantă: inteligența artificială nu a „vindecat" celulele și nici nu a demonstrat singură rolul unei gene. Ea a redus spațiul de căutare, indicând biologilor candidații cu cea mai mare probabilitate de a controla procesul. Validarea a fost făcută ulterior prin metode experimentale.

Din cele 143 de variante investigate, Pbx1 a apărut ca un punct central al rețelei genetice asociate îmbătrânirii.

Ce au arătat experimentele cu Pbx1

Pbx1 codifică un factor de transcripție, adică o proteină care poate influența activarea sau dezactivarea altor gene.

Pentru a-i testa rolul, cercetătorii au mărit activitatea Pbx1 în celule stem tinere. Acestea au început să prezinte multe dintre trăsăturile întâlnite în celulele îmbătrânite. Potrivit studiului, până la 73,3% dintre genele activate de Pbx1 aveau o activitate crescută și în celulele vechi.

Diferențele nu au rămas doar la nivelul semnăturii genetice. După transplantarea celulelor modificate în șoareci, acestea au produs mai puține globule roșii și au manifestat o orientare relativ mai puternică spre producerea trombocitelor.

Descoperirea conturează un mecanism prin care sistemul sanguin își poate pierde echilibrul odată cu vârsta: Pbx1 consolidează un program care păstrează celulele într-o stare primitivă și, simultan, le schimbă preferințele de diferențiere.

Profesorul Keiyo Takubo, unul dintre coordonatorii cercetării, a explicat că celulele stem îmbătrânite nu trebuie privite pur și simplu ca celule care și-au pierdut funcția. Rezultatele sugerează că ele intră într-o stare stabilă, cu propriile tendințe biologice.

Ar putea descoperirea să ducă la întinerirea sângelui?

Identificarea genei Pbx1 oferă cercetătorilor o țintă concretă pentru studierea îmbătrânirii sistemului hematopoietic. În viitor, mecanismul ar putea ajuta la înțelegerea anemiei asociate vârstei, a trombozei, a hematopoiezei clonale și a unor cancere ale sângelui.

Hematopoieza clonală apare atunci când o celulă stem care a acumulat anumite mutații începe să producă o populație foarte mare de celule descendente.

Fenomenul devine mai frecvent odată cu vârsta și a fost asociat cu un risc mai mare pentru unele boli hematologice și cardiovasculare. Studiile viitoare trebuie să stabilească dacă rețeaua controlată de Pbx1 participă și la acest proces.

Rezultatele ar putea fi relevante și pentru transplantul de celule stem sau pentru recuperarea după chimioterapie, situații în care capacitatea celulelor de a reface echilibrat sângele este esențială. Aceste posibile aplicații rămân însă ipoteze de cercetare.

Experimentele funcționale au fost efectuate pe celule de șoarece și pe animale. Nu a fost demonstrat că activitatea Pbx1 produce aceleași efecte în organismul uman.

Totuși, speranța ar fi aceea că reducerea activității acestei gene ar putea restabili funcția celulelor îmbătrânite.

Valoarea imediată a studiului este una științifică: oferă o hartă mai precisă a transformărilor prin care trec celulele ce produc sângele și arată cum inteligența artificială poate accelera identificarea unor mecanisme biologice complexe.