Model komputer baru melacak asal perubahan sel yang mendorong pengembangan
Para ilmuwan di Johns Hopkins Medicine mengatakan mereka telah mengembangkan model komputer — dijuluki pemetaan nasib kuantitatif — yang melihat kembali ke garis waktu perkembangan untuk melacak asal usul sel dalam organisme yang sudah dewasa. Model baru, kata mereka, dapat membantu para peneliti lebih tepat menemukan sel mana yang memperoleh perubahan selama perkembangan yang mengubah nasib organisme dari keadaan sehat menjadi penyakit, termasuk kanker dan demensia.
Pencapaian, yang dijelaskan dalamCell edisi 23 November, menggunakan algoritma matematika yang memperhitungkan kecepatan umum dengan mana sel membelah dan membedakan, tingkat di mana mutasi terakumulasi secara alami dan faktor-faktor lain yang diketahui dari perkembangan organisme.
"Kita dapat menggunakan metode ini untuk memeriksa perkembangan organisme dari sampel sel, termasuk organisme non-model seperti paus bungkuk yang biasanya tidak kita pelajari," kataReza Kalhor, Ph.D., asisten profesor teknik biomedis, kedokteran genetik, biologi molekuler dan genetika dan ilmu saraf di Universitas Johns Hopkins dan Fakultas Kedokteran. "Misalnya, dengan sampel sel dari bangkai paus bungkuk, kita dapat memahami bagaimana ia berkembang sebagai embrio."
Model komputer baru didasarkan pada kenyataan bahwa setiap organisme hidup yang kompleks berasal dari sel tunggal yang dibuahi, atau zigot. Sel itu membelah, dan sel-sel anak terus membelah, akhirnya berdiferensiasi menjadi sel-sel khusus dalam jaringan. Manusia, misalnya, memiliki sekitar 70 triliun sel individu dan beberapa ribu jenis sel.
Setiap kali sel membelah, mutasi dapat terjadi, dan perubahan itu diteruskan ke sel anak, yang membelah lagi, mungkin memperoleh mutasi kedua, yang keduanya diteruskan ke sel anak mereka, dan seterusnya. Mutasi bertindak sebagai semacam barcode yang dapat dideteksi dengan peralatan pengurutan genomik. Para ilmuwan dapat melacak mutasi ini dalam urutan terbalik untuk membangun garis keturunan sel, kata mereka.
Program pemetaan nasib kuantitatif memiliki dua bagian. Salah satunya adalah program komputer yang disebut Phylotime, yang membaca mutasi sel sebagai barcode untuk menyimpulkan skala waktu yang terkait dengan pembelahan sel. Nama Phylotime adalah singkatan dari Phylogeny Reconstruction Using Likelihood of Time. Dalam biologi, filogeni menggambarkan dan menggambarkan garis-garis perkembangan evolusi. Bagian kedua yang dikembangkan oleh tim Johns Hopkins adalah algoritma komputer yang disebut ICE-FASE, yang menciptakan model hierarki dan garis keturunan sel dalam suatu organisme berdasarkan skala waktu pembelahan sel.
Untuk menguji model komputer, tim Johns Hopkins menginduksi mutasi pada sel pluripoten yang diinduksi manusia (iPSCs) di lokasi tertentu dalam genom dan pada waktu acak. IPSCC semacam itu menimbulkan hampir semua sel dalam tubuh manusia. Mereka mengkultur sel dan membiarkannya membelah, mengikuti mutasi asli dan yang terjadi secara spontan pada sel anak berikutnya.
Pada akhir percobaan, para peneliti melakukan pengurutan genomik pada kelompok akhir sel anak dan memasukkan mutasi apa pun yang mereka temukan ke dalam model komputer.
Hasilnya adalah semacam silsilah keluarga yang memanjang dari iPSC manusia asli.
Para peneliti dapat membangun nenek moyang sel-sel dewasa dengan membandingkan kombinasi mutasi dan menggambar gambaran yang jauh lebih tepat tentang bagaimana organisme berkembang. Mereka menguji model dengan simulasi komputer sel tikus dan iPSC manusia.
Kalhor mengatakan alat baru itu dapat membantu para ilmuwan membandingkan keadaan normal versus penyakit pada organisme, termasuk manusia. "Alat ini mungkin berguna dalam menunjukkan bagaimana dan kapan sel menyimpang dari jalur normal, yang dapat membantu pengembangan alat pencegahan penyakit atau terapi kuratif," tambah Kalhor.
Apa yang disebut sel "peta nasib" yang dikembangkan oleh alat pemetaan nasib kuantitatif memberikan sejarah peristiwa penentuan nasib sel yang terjadi selama perkembangan organisme, tetapi tidak seperti studi pengurutan genom saja, alat baru ini menunjukkan kapan komitmen nasib terjadi dan hubungan sejumlah besar jenis sel yang berbeda dalam populasi, kata Weixiang Fang, Ph.D., rekan postdoctoral di departemen teknik biomedis di Johns Hopkins dan penulis pertama studi ini.
Sementara model komputer dapat membangun bagaimana dan kapan sel berkembang dalam suatu organisme, itu tidak dapat menentukan apakah mutasi spontan terjadi karena faktor eksternal, internal atau acak.
Fang dan Kalhor telah membuat Phylotime gratis untuk digunakan oleh ilmuwan lain, dan tersediasecara online.
Penelitian ini didukung oleh Simons Foundation, National Institutes of Health dan David and Lucile Packard Foundation.
Ilmuwan lain yang berkontribusi pada penelitian ini termasuk Hongkai Ji, Ph.D., profesor biostatistik di Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health, yang ikut mengawasi penelitian ini, serta Claire Bell, Abel Sapirstein, Soichiro Asami, Kathleen Leeper dan Donald Zack dari Johns Hopkins.
doi: 10.1016/j.sel.2022.10.028
Para ilmuwan di Johns Hopkins Medicine mengatakan mereka telah mengembangkan model komputer — dijuluki pemetaan nasib kuantitatif — yang melihat kembali ke garis waktu perkembangan untuk melacak asal usul sel dalam organisme yang sudah dewasa. Model baru, kata mereka, dapat membantu para peneliti lebih tepat menemukan sel mana yang memperoleh perubahan selama perkembangan yang mengubah nasib organisme dari keadaan sehat menjadi penyakit, termasuk kanker dan demensia.
Pencapaian, yang dijelaskan dalamCell edisi 23 November, menggunakan algoritma matematika yang memperhitungkan kecepatan umum dengan mana sel membelah dan membedakan, tingkat di mana mutasi terakumulasi secara alami dan faktor-faktor lain yang diketahui dari perkembangan organisme.
"Kita dapat menggunakan metode ini untuk memeriksa perkembangan organisme dari sampel sel, termasuk organisme non-model seperti paus bungkuk yang biasanya tidak kita pelajari," kataReza Kalhor, Ph.D., asisten profesor teknik biomedis, kedokteran genetik, biologi molekuler dan genetika dan ilmu saraf di Universitas Johns Hopkins dan Fakultas Kedokteran. "Misalnya, dengan sampel sel dari bangkai paus bungkuk, kita dapat memahami bagaimana ia berkembang sebagai embrio."
Model komputer baru didasarkan pada kenyataan bahwa setiap organisme hidup yang kompleks berasal dari sel tunggal yang dibuahi, atau zigot. Sel itu membelah, dan sel-sel anak terus membelah, akhirnya berdiferensiasi menjadi sel-sel khusus dalam jaringan. Manusia, misalnya, memiliki sekitar 70 triliun sel individu dan beberapa ribu jenis sel.
Setiap kali sel membelah, mutasi dapat terjadi, dan perubahan itu diteruskan ke sel anak, yang membelah lagi, mungkin memperoleh mutasi kedua, yang keduanya diteruskan ke sel anak mereka, dan seterusnya. Mutasi bertindak sebagai semacam barcode yang dapat dideteksi dengan peralatan pengurutan genomik. Para ilmuwan dapat melacak mutasi ini dalam urutan terbalik untuk membangun garis keturunan sel, kata mereka.
Program pemetaan nasib kuantitatif memiliki dua bagian. Salah satunya adalah program komputer yang disebut Phylotime, yang membaca mutasi sel sebagai barcode untuk menyimpulkan skala waktu yang terkait dengan pembelahan sel. Nama Phylotime adalah singkatan dari Phylogeny Reconstruction Using Likelihood of Time. Dalam biologi, filogeni menggambarkan dan menggambarkan garis-garis perkembangan evolusi. Bagian kedua yang dikembangkan oleh tim Johns Hopkins adalah algoritma komputer yang disebut ICE-FASE, yang menciptakan model hierarki dan garis keturunan sel dalam suatu organisme berdasarkan skala waktu pembelahan sel.
Untuk menguji model komputer, tim Johns Hopkins menginduksi mutasi pada sel pluripoten yang diinduksi manusia (iPSCs) di lokasi tertentu dalam genom dan pada waktu acak. IPSCC semacam itu menimbulkan hampir semua sel dalam tubuh manusia. Mereka mengkultur sel dan membiarkannya membelah, mengikuti mutasi asli dan yang terjadi secara spontan pada sel anak berikutnya.
Pada akhir percobaan, para peneliti melakukan pengurutan genomik pada kelompok akhir sel anak dan memasukkan mutasi apa pun yang mereka temukan ke dalam model komputer.
Hasilnya adalah semacam silsilah keluarga yang memanjang dari iPSC manusia asli.
Para peneliti dapat membangun nenek moyang sel-sel dewasa dengan membandingkan kombinasi mutasi dan menggambar gambaran yang jauh lebih tepat tentang bagaimana organisme berkembang. Mereka menguji model dengan simulasi komputer sel tikus dan iPSC manusia.
Kalhor mengatakan alat baru itu dapat membantu para ilmuwan membandingkan keadaan normal versus penyakit pada organisme, termasuk manusia. "Alat ini mungkin berguna dalam menunjukkan bagaimana dan kapan sel menyimpang dari jalur normal, yang dapat membantu pengembangan alat pencegahan penyakit atau terapi kuratif," tambah Kalhor.
Apa yang disebut sel "peta nasib" yang dikembangkan oleh alat pemetaan nasib kuantitatif memberikan sejarah peristiwa penentuan nasib sel yang terjadi selama perkembangan organisme, tetapi tidak seperti studi pengurutan genom saja, alat baru ini menunjukkan kapan komitmen nasib terjadi dan hubungan sejumlah besar jenis sel yang berbeda dalam populasi, kata Weixiang Fang, Ph.D., rekan postdoctoral di departemen teknik biomedis di Johns Hopkins dan penulis pertama studi ini.
Sementara model komputer dapat membangun bagaimana dan kapan sel berkembang dalam suatu organisme, itu tidak dapat menentukan apakah mutasi spontan terjadi karena faktor eksternal, internal atau acak.
Fang dan Kalhor telah membuat Phylotime gratis untuk digunakan oleh ilmuwan lain, dan tersediasecara online.
Penelitian ini didukung oleh Simons Foundation, National Institutes of Health dan David and Lucile Packard Foundation.
Ilmuwan lain yang berkontribusi pada penelitian ini termasuk Hongkai Ji, Ph.D., profesor biostatistik di Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health, yang ikut mengawasi penelitian ini, serta Claire Bell, Abel Sapirstein, Soichiro Asami, Kathleen Leeper dan Donald Zack dari Johns Hopkins.
doi: 10.1016/j.sel.2022.10.028
."¥¥¥".
."$$$".
