ИСТИНА

Мотивация и цель: Современные исследования показывают, что половые клетки подвержены возрастным изменениям: так, в сперматозоидах накапливаются повреждения, ассоциированные со старением, такие как эпигенетические изменения и мутации [1], а эпигенетический возраст гамет и зиготы сопоставим с возрастом соматических клеток того же организма [2]. В связи с этим была выдвинута гипотеза, что после оплодотворения, в процессе эмбриогенеза, должно происходить обращение возрастных изменений, то есть омоложение. В подтверждение этой гипотезы в недавних исследованиях с помощью эпигенетических часов старения было продемонстрировано, что после оплодотворения биологический возраст эмбрионов мышей действительно снижается [2]. При этом конкретные механизмы, лежащие в основе этого процесса, и их универсальность для всех эмбриональных клеточных популяций остаются практически неизученными. Целью нашей работы являлось более детальное изучение механизмов изменения биологического возраста в отдельных клеточных популяциях в процессе раннего эмбриогенеза мышей. Методы и алгоритмы: Для анализа мы использовали публично доступные данные секвенирования 116312 одиночных клеток 350 эмбрионов мыши, собранных в девяти последовательных временных точках от 6.5 до 8.5 дней после оплодотворения [3]. Восстановление траекторий дифференцировки проводили с помощью метода оптимального транспорта Waddington-OT [4]. Биологический и хронологический возраст, а также ожидаемый риск смертности предсказывали с помощью мульти-тканевых транскриптомных часов старения, представляющих собой модель линейной регрессии, обученной предсказывать возраст на данных секвенирования РНК. Также мы использовали модульные транскриптомные часы, построенные на наборах ко-регулируемых генов, связанных с определенными функциональными процессами клеток. Результаты: Мы проанализировали изменение суммарного биологического возраста эмбрионов, измеренного с помощью транскриптомных часов, в процессе гаструляции и раннего органогенеза. Мы обнаружили, что в этот период эмбрионального развития транскриптомный возраст падает, то есть профиль генной экспрессии меняется в сторону, противоположную изменениям, ассоциированным с возрастом и увеличением смертности. Эти результаты соотносятся с данными предыдущих исследований на уровне метилирования ДНК [2]. Для того чтобы расширить понимание того, за счет чего наблюдается подобный эффект, мы проанализировали изменение транскриптомного возраста на уровне отдельных клеточных популяций. Для этого мы использовали данные scRNA-seq и с помощью метода оптимального транспорта восстановили траектории развития клеточных типов. Мы показали, что снижение биологического возраста происходит в ходе развития всех клеточных типов за исключением клеток первичной энтодермы, хотя скорость снижения молекулярного возраста варьируется между разными популяциями. Быстрее всего возраст падает у глоточной мезодермы, параксиальной мезодермы и эндотелия. С помощью модульных часов мы оценили, какие функциональные процессы вносят наибольший вклад в наблюдаемое снижение возраста. В целом молекулярные пути, отвечающие за падение биологического возраста, оказались схожи у различных клеточных популяций. Наиболее заметный эффект наблюдался для модулей, связанных с метаболизмом ксенобиотиков, коагуляцией, клеточной адгезией, клеточным циклом и модификацией хроматина. Интересно, что некоторые клеточные процессы, такие как метаболизм жирных кислот и ответ на тепловой стресс, напротив, показали увеличение возраста в процессе гаструляции и раннего органогенеза для большинства типов клеток, что может указывать на отсутствие унифицированной возрастной динамики клеточных процессов в ходе эмбриогенеза мышей. Выводы: Транскриптомный возраст снижается в ходе развития большинства клеточных типов в период гаструляции и раннего органогенеза мышей (с 6.5 по 8.5 день), при этом у различных клеточных типов наблюдается разная скорость снижения возраста. Снижение транскриптомного возраста в разных клеточных популяциях происходит за счет схожих молекулярных путей, однако некоторые клеточные процессы начинают проявлять признаки старения уже на данной стадии эмбриогенеза, что может указывать на индивидуальный характер траектории омоложения и старения различных компонентов клеток в процессе эмбрионального развития млекопитающих. Список литературы 1. T. G. Jenkins, K. I. Aston, C. Pflueger, B. R. Cairns, and D. T. Carrell, “Age-Associated Sperm DNA Methylation Alterations: Possible Implications in Offspring Disease Susceptibility,” PLoS Genet., vol. 10, no. 7, p. e1004458, Jul. 2014, doi: 10.1371/journal.pgen.1004458 2. C. Kerepesi, B. Zhang, S.-G. Lee, A. Trapp, and V. N. Gladyshev, “Epigenetic clocks reveal a rejuvenation event during embryogenesis followed by aging,” Sci. Adv., vol. 7, no. 26, p. eabg6082, Jun. 2021, doi: 10.1126/sciadv.abg6082 3. B. Pijuan-Sala et al., “A single-cell molecular map of mouse gastrulation and early organogenesis,” Nature, vol. 566, no. 7745, pp. 490–495, Feb. 2019, doi: 10.1038/s41586-019-0933-9 4. G. Schiebinger et al., “Optimal-Transport Analysis of Single-Cell Gene Expression Identifies Developmental Trajectories in Reprogramming,” Cell, vol. 176, no. 4, pp. 928-943.e22, Feb. 2019, doi: 10.1016/j.cell.2019.01.006.