Νέα υπολογιστική μέθοδος ανασυνθέτει τον τρόπο που τα κύτταρα αποφασίζουν τη μοίρα τους
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Κιουσίου έχουν αναπτύξει μια καινοτόμο υπολογιστική μέθοδο, γνωστή ως ddHodge, η οποία μπορεί να ανασυνθέσει τις πολύπλοκες δυναμικές που διέπουν τις αποφάσεις των κυττάρων. Σύμφωνα με δημοσίευση στο περιοδικό Nature Communications, αυτή η προσέγγιση ανοίγει νέους δρόμους για την κατανόηση των βιολογικών διαδικασιών που σχετίζονται με την ανάπτυξη, την αναγέννηση και τις ασθένειες.
Η πρόκληση της κυτταρικής διαφοροποίησης
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ένα αναπτυσσόμενο κύτταρο επιλέγει τη μοίρα του, όπως το να διαφοροποιηθεί σε νευρικό ή μυϊκό κύτταρο, αποτελεί μία από τις κεντρικές προκλήσεις στη βιολογία και την ιατρική. Για να μελετήσουν αυτούς τους μηχανισμούς, οι επιστήμονες συχνά βασίζονται στη μέθοδο της αλληλουχίας RNA σε επίπεδο κυττάρου (scRNA-seq), η οποία αποκαλύπτει ποια γονίδια είναι ενεργά σε μεμονωμένα κύτταρα. Παρόλο που είναι ισχυρή, η scRNA-seq είναι καταστροφική, προσφέροντας μόνο στιγμιότυπα των κυττάρων και όχι την εξέλιξη των καταστάσεών τους με την πάροδο του χρόνου.
Η καινοτομία της ddHodge
Οι υπολογιστικές μέθοδοι όπως η RNA velocity έχουν αρχίσει να αντιμετωπίζουν αυτό το περιορισμό, υποδεικνύοντας την άμεση κατεύθυνση του μέλλοντος ενός κυττάρου και την “ταχύτητα” με την οποία προχωρά προς αυτήν. Ωστόσο, η κατάσταση ενός κυττάρου καθορίζεται από αμέτρητα γονίδια, τοποθετώντας το σε έναν πολύπλοκο, υψηλής διάστασης χώρο. Δυστυχώς, οι τρέχουσες τεχνικές δεν μπορούν να αναπαραστήσουν με ακρίβεια αυτόν τον πλήρη χώρο, συμπιέζοντάς τον σε πολύ λιγότερες διαστάσεις και χάνοντας σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τη γεωμετρία των δεδομένων. Ως αποτέλεσμα, είναι αδύνατο να εκτιμηθεί με συνέπεια η σταθερότητα μιας κυτταρικής κατάστασης.
Σε αυτό το πλαίσιο, ο Αναπληρωτής Καθηγητής Καζουμίτσου Μαεχάρα από τη Σχολή Ιατρικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Κιουσίου και ο Καθηγητής Γιασουγιούκι Οχκάουα από το Ιατρικό Ινστιτούτο Βιορύθμισης του Πανεπιστημίου Κιουσίου ανέπτυξαν τη μέθοδο ddHodge, η οποία διατηρεί τη γεωμετρία και μπορεί να ανασυνθέσει πιο ακριβώς τις δυναμικές των κυτταρικών καταστάσεων.
Εφαρμογές και ευρήματα
Η τεχνική τους βασίζεται στην αποσύνθεση Hodge, ένα ισχυρό μαθηματικό θεώρημα, το οποίο χρησιμοποίησαν για να αναλύσουν την κίνηση των κυττάρων σε ένα τοπίο πιθανών καταστάσεων. Το πρώτο συστατικό είναι το κλίμακα, που δείχνει τη γενική κατεύθυνση ροής. Το υπόλοιπο περιλαμβάνει τις κυκλικές ή περιστροφικές ροές, αποκαλύπτοντας επαναλαμβανόμενες διαδικασίες όπως ο κυτταρικός κύκλος.
Εφαρμόζοντας τη μέθοδο ddHodge σε δεδομένα scRNA-seq από περίπου 46.000 κυτταρα embryonικών ποντικών, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι πάνω από το 88% της δυναμικής έκφρασης γονιδίων κατά την πρώιμη εμβρυϊκή ανάπτυξη μπορούσε να εξηγηθεί από το κλίμακα. Αυτό επιβεβαίωσε, με πραγματικά δεδομένα, την μακροχρόνια θεωρία στη αναπτυξιακή βιολογία ότι τα κύτταρα διαφοροποιούνται προχωρώντας προς σταθερές καταστάσεις και απομακρυνόμενα από “σημεία διακλάδωσης”.
Οι ερευνητές αξιολόγησαν επίσης την απόδοση της ddHodge χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις δεδομένων, αποκαλύπτοντας ότι ακόμα και με μερικά ή θορυβώδη δεδομένα, η ddHodge μπορούσε να ανασυνθέσει αξιόπιστα τις δυναμικές των κυτταρικών καταστάσεων, με ακρίβεια περίπου 100 φορές μεγαλύτερη.
