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        一切都在數(shù)學(xué)中新工具為細(xì)胞開(kāi)發(fā)提供了路線圖
        
			
        
				2019-06-24 09:39:24
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			  來(lái)源：
			
        
		
        
				
		
        
			
        哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的研究人員創(chuàng)造了一種新工具來(lái)描述細(xì)胞可能發(fā)展的許多可能方式。該工具植根于拓?fù)鋵W(xué)的數(shù)學(xué)領(lǐng)域，提供了一個(gè)路線圖，可以詳細(xì)了解干細(xì)胞如何產(chǎn)生特化細(xì)胞。該研究發(fā)表于今天的Nature Biotechnology。
        

        一切都在數(shù)學(xué)中新工具為細(xì)胞開(kāi)發(fā)提供了路線圖
        

        每個(gè)生物都以一個(gè)細(xì)胞開(kāi)始。隨著細(xì)胞分裂，其拷貝分支成為特化細(xì)胞 - 例如心臟，骨骼或腦細(xì)胞 - 在稱為分化的過(guò)程中。為了理解沿著這條路徑移動(dòng)細(xì)胞的內(nèi)部和外部線索，科學(xué)家們可以測(cè)序他們的RNA - 將DNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)和其他產(chǎn)物的分子信使。
        

        然而，來(lái)自一批細(xì)胞的測(cè)序RNA并不理想，因?yàn)榧?xì)胞通常處于不同的發(fā)育狀態(tài)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家開(kāi)發(fā)了單細(xì)胞RNA測(cè)序。“它就像一臺(tái)新顯微鏡，讓我們能夠同時(shí)研究許多生物現(xiàn)象，”哥倫比亞大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)副教授，該論文的共同作者Raul Rabadan博士說(shuō)。“然而，研究人員仍然存在理解不同細(xì)胞狀態(tài)之間關(guān)系的問(wèn)題，這些關(guān)系推動(dòng)了發(fā)展過(guò)程。”
        

        為了研究細(xì)胞發(fā)育，科學(xué)家們使用數(shù)學(xué)工具來(lái)分析大量的測(cè)序數(shù)據(jù)。但是這些工具依賴于縮小可能結(jié)果的基本假設(shè)。“由于細(xì)胞發(fā)育的復(fù)雜性，做出假設(shè)的模型實(shí)際上限制了你發(fā)現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)的能力，”哥倫比亞大學(xué)生物化學(xué)與分子生物物理系博士后研究科學(xué)家，該論文的第一作者Abbas Rizvi博士說(shuō)。
        

        Rizvi博士與生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)系的博士后研究員和理論物理學(xué)家Pablo G. Camara博士一起研究拓?fù)鋵W(xué)，這是一個(gè)研究表面和形狀之間空間關(guān)系的數(shù)學(xué)領(lǐng)域，用于識(shí)別連接在不同的細(xì)胞狀態(tài)和細(xì)胞處于這些狀態(tài)時(shí)活躍的基因之間。該合作開(kāi)發(fā)了一種算法，稱為單細(xì)胞拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析(scTDA)。該算法分析單個(gè)細(xì)胞的RNA序列，重建潛在的發(fā)育軌跡，并及時(shí)捕獲不同轉(zhuǎn)錄程序的進(jìn)展。
        

        研究人員使用scTDA繪制了小鼠干細(xì)胞的路徑，這些小鼠干細(xì)胞被誘導(dǎo)成為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元細(xì)胞。該圖正確地指出了這些細(xì)胞的可能發(fā)育軌跡，從干細(xì)胞開(kāi)始并最終成為神經(jīng)元。通過(guò)查看地圖中特定叉子附近哪些基因是活躍的，研究人員能夠識(shí)別出在沿著路徑的不同點(diǎn)處引導(dǎo)細(xì)胞發(fā)育的蛋白質(zhì)。該方法還用于研究來(lái)自小鼠肺，人胚胎和小鼠腦的干細(xì)胞的發(fā)展途徑。
        

        “隨著科學(xué)家挖掘這一數(shù)據(jù)集，我們期望發(fā)現(xiàn)更多的發(fā)現(xiàn)，”共同作者Tom Maniatis博士說(shuō)，他是哥倫比亞大學(xué)生物化學(xué)和分子生物物理系主任，Isidore S. Edelman生物化學(xué)教授。“它確實(shí)為在非常特定的發(fā)育階段對(duì)個(gè)體細(xì)胞進(jìn)行深入分析開(kāi)辟了可能性，”Maniatis博士說(shuō)。
        

        “這種方法提供了對(duì)細(xì)胞潛在命運(yùn)的深刻見(jiàn)解，使我們能夠獲得控制細(xì)胞特性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子和分子轉(zhuǎn)換 - 并提供機(jī)會(huì)引導(dǎo)細(xì)胞遠(yuǎn)離對(duì)其發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響的途徑，”里茲維博士說(shuō)。
        

        該方法目前正用于揭示復(fù)雜生物過(guò)程(包括癌癥)的動(dòng)態(tài)和細(xì)胞構(gòu)成。
        
			

			
          
        
			
        
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