細(xì)胞分化和命運(yùn)決定是生命的奧秘之一，也是生命科學(xué)領(lǐng)域的核心問(wèn)題，揭示其規(guī)律和機(jī)制對(duì)于探索生命現(xiàn)象和促進(jìn)醫(yī)學(xué)發(fā)展具有重要意義。然而，準(zhǔn)確地追蹤細(xì)胞的動(dòng)態(tài)分化軌跡并非易事，尤其是在疾病等干擾情況下的細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)換過(guò)程，存在較大的隨機(jī)性和難以預(yù)測(cè)性。

聽(tīng)起來(lái)匪夷所思地給細(xì)胞“算命”，要從何說(shuō)起呢？

7月31日，國(guó)際期刊《自然-生物技術(shù)》在線(xiàn)發(fā)表了一項(xiàng)最新研究成果，該研究提出了一種新穎的單細(xì)胞分化軌跡推斷的算法框架，實(shí)現(xiàn)在不同生物場(chǎng)景下對(duì)細(xì)胞分化軌跡的高精準(zhǔn)推斷。

深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所胡政研究員與廈門(mén)大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院周達(dá)副教授為該論文的共同通訊作者，深圳先進(jìn)院和廈門(mén)大學(xué)聯(lián)培博士生王琨為該論文的第一作者。深圳先進(jìn)院為第一通訊單位。

了解細(xì)胞的“生命歷程”

預(yù)測(cè)細(xì)胞一生中的狀態(tài)變化過(guò)程，即“生命歷程”，就要先從細(xì)胞的兩個(gè)特征“基因轉(zhuǎn)錄”以及“細(xì)胞命運(yùn)決定”講起。以人類(lèi)為例，人類(lèi)基因組有兩萬(wàn)個(gè)不同的基因，這些基因在細(xì)胞核里轉(zhuǎn)錄成RNA，并運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中翻譯為蛋白質(zhì)，執(zhí)行不同的生物功能，但在一個(gè)細(xì)胞里不是所有基因都轉(zhuǎn)錄成了RNA。每個(gè)基因是否表達(dá)、表達(dá)多少、表達(dá)之后降解的速度都在影響這個(gè)細(xì)胞的狀態(tài)和功能。由此，一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄出的所有RNA的總和就成為轉(zhuǎn)錄組，可以用來(lái)描述細(xì)胞的狀態(tài)。

“根據(jù)轉(zhuǎn)錄組信息推斷細(xì)胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)變方向和過(guò)程”是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的工作，這種“某一類(lèi)群細(xì)胞從哪里分化而來(lái)，未來(lái)將分化成什么類(lèi)型的細(xì)胞”的研究，被稱(chēng)為細(xì)胞命運(yùn)決定。

當(dāng)前，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序是研究細(xì)胞分化的強(qiáng)有力的技術(shù)，可通過(guò)分析單個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組狀態(tài)來(lái)推斷細(xì)胞分化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。尤其是基于信使RNA（mRNA）的剪切動(dòng)力學(xué)而發(fā)展起來(lái)的RNA速度模型，可預(yù)測(cè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組在“過(guò)去”或“未來(lái)”時(shí)間的狀態(tài)，是單細(xì)胞軌跡推斷的經(jīng)典算法。然而，由于單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)與mRNA轉(zhuǎn)錄/剪切動(dòng)力學(xué)的高度復(fù)雜性，RNA速度模型在實(shí)際應(yīng)用中常出現(xiàn)錯(cuò)誤推斷或不穩(wěn)健的問(wèn)題。?

也就是說(shuō)，當(dāng)把轉(zhuǎn)錄組和分化順序綜合的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組只能分清楚不同類(lèi)群的細(xì)胞，但是無(wú)法通過(guò)轉(zhuǎn)錄組對(duì)細(xì)胞分化軌跡的高精準(zhǔn)推斷。

開(kāi)發(fā)單細(xì)胞分化軌跡預(yù)測(cè)技術(shù)

本次研究提出一項(xiàng)新穎的單細(xì)胞分化軌跡推斷的算法框架，命名為PhyloVelo。該方法通過(guò)聯(lián)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和譜系示蹤數(shù)據(jù)，鑒定隨細(xì)胞分裂而表達(dá)量呈單調(diào)遞增或遞減的基因，即單調(diào)表達(dá)基因，并利用演化方法估計(jì)單調(diào)基因的RNA轉(zhuǎn)錄變化速度，以構(gòu)建單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組速度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞分化軌跡的高精準(zhǔn)推斷。

“首先我們做了大量數(shù)據(jù)仿真，模擬了一批細(xì)胞的分化過(guò)程，給每個(gè)細(xì)胞設(shè)定好其分化軌跡，再根據(jù)模擬數(shù)據(jù)中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)去推測(cè)細(xì)胞的分化軌跡。無(wú)論是線(xiàn)性分化軌跡、分叉分化軌跡還是趨同分化軌跡，PhyloVelo都能夠準(zhǔn)確還原，與真實(shí)分化軌跡高度一致”，本文通訊作者胡政研究員解釋道。

成果算法主要分為兩部分。第一步是單調(diào)表達(dá)基因的識(shí)別，第二步是基因表達(dá)變化速度的估計(jì)，該研究在多種仿真數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)上對(duì)成果算法的準(zhǔn)確性和魯棒性進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，PhyloVelo還在小鼠早期胚胎發(fā)育中準(zhǔn)確地識(shí)別出紅細(xì)胞系列中血液/內(nèi)皮祖細(xì)胞作為最早期的細(xì)胞類(lèi)型，且與細(xì)胞增殖能力呈強(qiáng)相關(guān)。? ?

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成果算法作為利用單細(xì)胞譜系和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)重建細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變的新方法，具有高度的準(zhǔn)確性和魯棒性。其可以克服傳統(tǒng)方法的局限性，并能夠發(fā)現(xiàn)隱藏在轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中的“時(shí)鐘基因”，為揭示細(xì)胞分化的分子機(jī)制提供線(xiàn)索。

“數(shù)據(jù)方法的開(kāi)發(fā)更像是科學(xué)家在不斷更新自己的‘工具庫(kù)’，不同的算法解決不同的問(wèn)題，PhyloVelo可以幫助我們對(duì)細(xì)胞分化軌跡有更精準(zhǔn)的理解”，胡政研究員說(shuō)道。

PhyloVelo為研究生物發(fā)育和疾病進(jìn)展提供了一個(gè)有力的工具，也為未來(lái)的單細(xì)胞譜系和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析提供了一個(gè)新的視角。于科學(xué)家而言，實(shí)驗(yàn)“工具”的迭代更新可以使其更好去探索生物奧秘。伽利略伸出望遠(yuǎn)鏡能夠觀測(cè)浩瀚夜空的驚艷，胡克架起顯微鏡能夠深入纖塵毫芥的細(xì)胞，有力工具將助力多維度細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制的研究，為探索生命現(xiàn)象和促進(jìn)醫(yī)學(xué)發(fā)展提供新的理論和方法。

論文相關(guān)信息：https://www.nature.com/articles/s41587-023-01887-5

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)