Studi Terobosan 21 Juta Sel Merevisi Pemahaman Kita tentang Penuaan

Penuaan terjadi dalam tahapan berbeda yang ditandai dengan perubahan seluler yang tersinkronisasi di seluruh organ, seperti yang ditunjukkan dalam atlas penuaan mamalia terbesar yang pernah dibuat oleh Rockefeller. Temuan mereka memberikan petunjuk untuk menargetkan proses penuaan dan mengungkap perbedaan utama usia dan jenis kelamin dalam dinamika seluler.

Jika Anda membandingkan foto pohon maple yang diambil pada bulan Juli dan Desember, perbedaannya akan sangat mencolok: kanopi hijau cerah di musim panas versus cabang-cabang yang gundul dan mencolok di musim dingin. Apa yang tidak diungkapkan oleh gambar-gambar tersebut adalah bagaimana transformasi tersebut terjadi—apakah itu terjadi secara bertahap atau tiba-tiba. Pada kenyataannya, pohon yang meranggas biasanya menunggu isyarat lingkungan, seperti perubahan cahaya atau suhu, sebelum menggugurkan seluruh daunnya dalam kurun waktu satu hingga dua minggu.

Dalam hal penuaan, kita mungkin lebih mirip dengan pohon-pohon ini daripada yang kita sadari.

Penelitian inovatif dari Laboratorium Genomik Sel Tunggal dan Dinamika Populasi Universitas Rockefeller telah mengungkapkan bahwa penuaan mengikuti lintasan yang sama pada tingkat sel. Dalam sebuah penelitian yang baru-baru ini diterbitkan di Science, pemimpin laboratorium Junyue Cao dan timnya menggunakan pengurutan sel tunggal untuk menganalisis lebih dari 21 juta sel dari seluruh organ utama tikus pada lima tahap kehidupan yang berbeda. Upaya yang belum pernah terjadi sebelumnya ini telah menghasilkan atlas seluler terbesar di dunia yang disusun dalam satu penelitian.

Temuan mereka mengungkapkan bahwa populasi sel tertentu berubah di setiap organ, baik dengan cara dan waktu yang sama, selama tahap kehidupan tertentu. Hal ini menunjukkan bahwa penuaan bukanlah sebuah proses linier melainkan sebuah tahap perkembangan yang dipicu oleh isyarat molekuler tertentu.

“Beberapa sel bertambah jumlahnya secara signifikan sementara yang lainnya menurun, dan sel-sel yang mengalami perubahan tersebut berbeda-beda tergantung pada usia,” kata Cao. “Terlebih lagi, beberapa perubahan ini dikendalikan oleh fitur molekuler yang sama, sehingga kita mungkin dapat menargetkan perubahan tersebut untuk menunda atau bahkan memprogram ulang proses penuaan itu sendiri.”

Dari teknik yang dipesan lebih dahulu hingga platform universal

Pengurutan sel tunggal, spesialisasi laboratorium Cao, adalah metode analisis genetik yang berfokus pada ekspresi genetik dan dinamika molekul sel individual, sekaligus mengungkap identitas setiap sel yang dipelajari. Timnya sebelumnya telah menggunakan pengurutan sel tunggal untuk menemukan jenis sel otak baru yang langka dan melacak usia sel otak, serta tujuan lainnya.

Dalam studi otak, mereka juga menemukan populasi sel yang berbeda dan dinamika sel yang spesifik untuk berbagai usia. Untuk penelitian kali ini, yang dipimpin oleh mahasiswa pascasarjana Zehao Zhang, mereka penasaran untuk melihat apakah perubahan serupa terjadi di tempat lain di tubuh.

Untuk melakukan hal tersebut, Zhang mengadaptasi EasySci, sebuah metode pengurutan sel tunggal yang dikembangkan oleh kelompok tersebut dan digunakan dalam studi penuaan otak mereka, untuk memperluas jangkauan selulernya hingga mencakup semua organ utama tikus—sebuah tugas berat yang dikelola Zhang secara tunggal. dengan tangan sendiri.

“Aspek yang paling menantang adalah mengoptimalkan EasySci untuk bekerja di berbagai organ mamalia sambil mempertahankan data berkualitas tinggi,” katanya. “Karena sebagian besar penelitian sebelumnya sering berfokus pada organ tertentu atau menggunakan protokol berbeda untuk organ berbeda, mengembangkan protokol universal memerlukan pengujian ribuan kondisi di berbagai organ sebelum kita dapat memulai eksperimen sebenarnya.”

Sebagai hasil dari upaya Zhang, EasySci kini menjadi platform pembuatan profil terpadu untuk organ-organ utama mamalia, yang mampu membedah secara sistematis mekanisme penuaan dan penyakit di seluruh organisme.

Untuk penelitian saat ini, mereka menggunakannya untuk mengungkap profil transkriptom inti tunggal dari sekitar 21 juta sel yang diambil dari lebih dari 600 sampel tikus jantan dan betina pada lima tahap kehidupan berbeda, dari muda hingga tua.

Jendela waktu kritis

Tim tersebut menemukan lebih dari 10 tipe sel utama dan 200 subtipe sel yang secara konsisten mengalami penipisan atau perluasan signifikan terkait usia.

Pada masa dewasa awal, misalnya (3 hingga 12 bulan pada tikus), subtipe sel tertentu dalam lemak, otot, dan jaringan epitel mengalami penurunan jumlah yang nyata, sedangkan pada masa dewasa lanjut (12 hingga 23 bulan pada tikus), berbagai jenis sel kekebalan meledak jumlahnya.

Menariknya, banyak dari perubahan ini terkait dengan ekspresi gen spesifik di dalam sel, di mana pun perubahan tersebut ditemukan. “Kami mengidentifikasi subtipe sel di berbagai organ, yang mungkin memiliki fungsi berbeda,” kata Cao. “Tetapi tampaknya mereka dikendalikan oleh proses molekuler yang sama.”

“Kami pada dasarnya telah mengidentifikasi dasar seluler dari setiap perubahan fase, dan mendokumentasikan bahwa perubahan tersebut tidak terjadi secara bertahap seiring berjalannya waktu, namun pada tahap kehidupan tertentu,” tambahnya. “Sekarang kami telah mengidentifikasi jendela waktu kritis yang menunjukkan perubahan yang sangat kuat pada populasi sel yang berbeda, hal ini memberikan kita petunjuk penting tentang bagaimana melakukan intervensi dalam proses penuaan.”

Sel kekebalan khususnya menunjukkan lonjakan populasi di kemudian hari. “Kami menemukan banyak subtipe sel B dan sel T berbeda yang berkembang pesat di berbagai organ,” kata Cao. Kelebihan sel-sel ini diketahui menyebabkan kondisi inflamasi dan autoimun. Faktanya, ketika para peneliti memeriksa dua tikus yang mengalami defisiensi imun yang kekurangan sel-sel tersebut, mereka menemukan bahwa penipisan sel B dan sel T membalikkan perubahan pada beberapa jenis sel lain yang terkait dengan penuaan, sehingga menyoroti jaringan pengatur sel dalam proses penuaan, kata Cao.

Mereka juga menemukan kelompok jenis sel baru yang sangat kecil, beberapa di antaranya hanya berjumlah 500 sel. Peran sel-sel ini dalam penuaan masih harus dipelajari, namun beberapa jenis sel yang sangat langka telah terbukti mengatur fungsi-fungsi penting, kata Cao. “Contohnya sel kelenjar hipofisis: populasi yang sangat kecil ini mengeluarkan hormon penting yang penting untuk pertumbuhan, perkembangan reproduksi, dan fungsi organ.”

Perbedaan usia dan jenis kelamin

Tanpa diduga, mereka juga menemukan ratusan keadaan seluler yang berbeda antara tikus jantan dan betina di setiap organ, kata Zhang. Ini termasuk sel progenitor adiposit, yang menunjukkan keadaan molekuler yang berbeda antara pria dan wanita, serta perluasan sel B terkait penuaan khusus wanita.

Secara keseluruhan, perbedaan usia dan jenis kelamin ini dapat membantu menjelaskan mengapa perempuan, dan terutama perempuan yang lebih tua, lebih banyak menderita penyakit autoimun dibandingkan laki-laki.

Mereka juga menggarisbawahi pentingnya memiliki sampel sel yang seimbang berdasarkan jenis kelamin dalam studi penuaan dan penyakit, kata Zhang. “Banyak penelitian berfokus pada satu jenis kelamin untuk mengurangi biaya dan menjaga konsistensi, namun temuan ini menyoroti pentingnya melibatkan kedua jenis kelamin untuk mengungkap mekanisme umum atau untuk mengembangkan pengobatan khusus jenis kelamin.”

Tambang emas untuk penelitian masa depan

Kumpulan data penelitian berjumlah 21 juta sel, yang disebut PanSci, mewakili atlas penuaan mamalia sekuensing sel tunggal terbesar yang pernah dibuat, dan laboratorium Cao telah merencanakan beberapa proyek masa depan berdasarkan sumber daya ini. Misalnya, mereka bermaksud untuk melihat lebih dalam ratusan subtipe seluler yang menunjukkan perbedaan kuat antara tikus jantan dan betina, serta subtipe yang terlibat dalam proses penuaan, banyak di antaranya masih kurang dikarakterisasi atau dipelajari.

“Saya pikir temuan kami berpotensi digunakan untuk mengidentifikasi dasar seluler untuk beberapa penyakit spesifik jenis kelamin,” kata Cao.

Para ilmuwan di seluruh dunia juga diperbolehkan menambang PanSci untuk penelitian mereka sendiri, tambah Zhang. “Para peneliti yang mempelajari organ tertentu dapat mengekstrak data spesifik organ, sementara peneliti yang berfokus pada garis keturunan sel tertentu seperti sel imun atau endotel dapat mengekstrak jenis sel yang sama dari organ berbeda,” katanya. “Dan karena kumpulan datanya dikurasi dan diberi anotasi dengan baik, data ini ideal untuk melatih model pembelajaran mesin berukuran besar untuk aplikasi seperti prediksi usia, menemukan jenis sel langka, dan membuat sel virtual untuk dalam silikon studi gangguan.”

Referensi: “Pandangan panorama dinamika populasi sel pada penuaan mamalia” oleh Zehao Zhang, Chloe Schaefer, Weirong Jiang, Ziyu Lu, Jasper Lee, Andras Sziraki, Abdulraouf Abdulraouf, Brittney Wick, Maximilian Haeussler, Zhuoyan Li, Gesmira Molla, Rahul Satija , Wei Zhou dan Junyue Cao, 28 November 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adn3949