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        細(xì)胞使用數(shù)學(xué)上最優(yōu)的策略找到它們的身份
        
			
        
				2019-02-18 09:10:58
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        生物體由許多類型的細(xì)胞組成，這些細(xì)胞以精確和可再現(xiàn)的空間模式排列，從而產(chǎn)生適當(dāng)形成和功能良好的組織和器官。但是，生物體中遺傳上相同的細(xì)胞如何分化?一個研究小組，包括奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(IST奧地利)的GašperTka?ik，現(xiàn)在已經(jīng)證明，在發(fā)展中的果蠅中，四個基因的表達(dá)水平，即所謂的缺口基因，可以聯(lián)合解碼成一個最佳位置規(guī)范。這是今天在Cell上發(fā)表的一項(xiàng)研究的結(jié)果，該研究由資深作者Thomas Gregor，Eric Wieschaus，William Bialek，Mariela Petkova和GašperTka?ik撰寫。
        

        細(xì)胞使用數(shù)學(xué)上最優(yōu)的策略找到它們的身份
        

        在果蠅胚胎中，四個間隙基因沿著雪茄形胚胎的長軸在各個區(qū)域中開啟，形成復(fù)雜的空間模式。胚胎中的個體細(xì)胞不具有它們在胚胎內(nèi)的位置的“全局視圖”。因此，科學(xué)家假設(shè)細(xì)胞測量間隙基因的濃度，使用這些濃度作為化學(xué)全球定位系統(tǒng)來確定其位置，并決定成為某種細(xì)胞類型。
        

        然而，這個幾十年前的范例并沒有解釋所有的觀察結(jié)果，Tka?ik說：“幾個嘮叨的問題仍然存在，到目前為止，大多數(shù)研究人員已經(jīng)機(jī)械地研究了所涉及的分子，如何讀出位置，以及隨后的化學(xué)反應(yīng)是什么“。
        

        然而，在目前的研究中，團(tuán)隊(duì)采取了不同的方法。“細(xì)胞接收到的關(guān)于它們位置的信號是有噪聲的 - 間隙基因表達(dá)的水平在時間和胚胎之間波動。只有四個噪聲濃度信號，細(xì)胞看起來只有一次限制了這個細(xì)胞計(jì)算其位置的精確度無論涉及何種機(jī)制或計(jì)算，這都是一個基本的物理限制。鑒于間隙基因濃度中的這種噪音，我們會問，任何人 - 包括胚胎中的細(xì)胞 - 能夠準(zhǔn)確地說出它們在哪里?
        

        從理論的角度來看，采取的方法很明確，Tka?ik解釋說：“理論告訴我們使用最優(yōu)解碼，一種既定的統(tǒng)計(jì)推斷方法。” 為此，研究人員測量了間隙基因表達(dá)水平具有足夠的精確度來表征系統(tǒng)中的生物噪聲?；谌绾卧谝吧团咛ブ虚_啟間隙基因，他們構(gòu)建了最佳解碼器。為了測試解碼器，他們詢問解碼器預(yù)測如果任何間隙基因被遺傳擾亂將會發(fā)生什么樣的模式化，并將這種預(yù)測與這種突變體胚胎的真實(shí)情況進(jìn)行比較。解碼器正確地預(yù)測了突變體胚胎中圖案化是如何扭曲的，準(zhǔn)確度為1%，并且沒有必須通過實(shí)驗(yàn)估計(jì)的自由參數(shù)。“這個結(jié)果令人驚訝。不需要知道細(xì)胞如何確定其位置的機(jī)制，只是假設(shè)這是最優(yōu)化的，同時，使用所有四個間隙基因的絕對濃度，我們可以預(yù)測突變體的定位變化，”
        

        這些結(jié)果意味著在果蠅胚胎中，細(xì)胞身份的建立接近最佳。“進(jìn)化一直在推動這個系統(tǒng)足夠強(qiáng)大，以至于無論分子上發(fā)生了什么 - 分子硬件都非常接近于數(shù)學(xué)上最佳的位置計(jì)算，”Tka?ik說，“雖然我們沒有研究哪種機(jī)制起作用，但我們的結(jié)果表明我們不能很好地理解這種機(jī)制。根據(jù)假定的機(jī)制擬合數(shù)據(jù)的模型需要更多的參數(shù)，但比簡單地假設(shè)沒有自由參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的情況更差，就像我們在這里所做的那樣。“
        

        結(jié)果還質(zhì)疑了如何在果蠅胚胎中傳達(dá)位置信息的教科書模型。Eric Wieschaus和ChristianeNüsslein-Vollhard確定了圖案化所需的基因，這是他們在1995年獲得諾貝爾獎的發(fā)現(xiàn)。根據(jù)流行的觀點(diǎn)，來自母親的早期信號在圖案網(wǎng)絡(luò)的幾個層面上得到緩慢的提煉。“我們的結(jié)果質(zhì)疑了這種逐步改善噪聲信號的級聯(lián)的經(jīng)典概念。已經(jīng)在級聯(lián)的最早階段，在缺口基因水平上，有足夠的信息可以精確定位所有細(xì)胞，”Tka?ik解釋說。
        

        Tka?ik說，為什么級聯(lián)存在仍然是一個懸而未決的問題，但附加層可以幫助細(xì)胞處理可用信息。“僅僅因?yàn)樾畔⒁呀?jīng)存在于間隙基因中并不意味著這些信息很容易被讀出來。也許附加層將信息轉(zhuǎn)換為更容易被細(xì)胞訪問的格式，從而可靠地提交給明確定義的細(xì)胞類型。“
        
			

			
          
        
			
        
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