任何給定器官的健康功能或疾病加速功能障礙源于構(gòu)成該器官的個(gè)體細(xì)胞的行為或不良行為。最近的技術(shù)進(jìn)步使科學(xué)家們能夠一次一個(gè)地分析細(xì)胞的作用，但這些技術(shù)只能產(chǎn)生細(xì)胞活動(dòng)的靜態(tài)快照。捕獲一個(gè)單個(gè)細(xì)胞的行為是一個(gè)預(yù)示其未來??的過程而不是一個(gè)及時(shí)凍結(jié)的過程，這一點(diǎn)迄今為止科學(xué)家們已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在，哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員第一次與瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院的同事合作，成功地超越了這種細(xì)胞凍結(jié)框架，并設(shè)法將細(xì)胞決策作為一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，細(xì)胞決定了什么。去做和去哪里。

該方法于8月8日在“自然”雜志中描述，是一種數(shù)學(xué)模型，可以估算RNA速度 - RNA隨時(shí)間變化的速率 - 作為細(xì)胞命運(yùn)在數(shù)小時(shí)的時(shí)間尺度上的預(yù)測(cè)因子。

捕獲細(xì)胞意圖的能力可以幫助科學(xué)家更好地分析復(fù)雜組織和器官中的細(xì)胞功能和功能障礙 - 由各種細(xì)胞類型組成。此外，它還可以幫助監(jiān)測(cè)器官的發(fā)育情況以及它們?nèi)绾螌?duì)細(xì)胞水平的給定藥物或治療產(chǎn)生反應(yīng) - 這一見解有助于評(píng)估治療的療效。

細(xì)胞的廚房

對(duì)于他們的預(yù)測(cè)模型，科學(xué)家捕獲了mRNA的變化，這是一種信使分子，它解釋了嵌入DNA中的遺傳密碼，并將這些指令轉(zhuǎn)化為細(xì)胞，從本質(zhì)上講，他們可以根據(jù)多少蛋白質(zhì)來制定命令。

“估計(jì)RNA速度 - 或RNA隨時(shí)間變化的速度 - 類似于觀察餐館廚房中的廚師，因?yàn)樗麄兣帕谐煞忠源_定他們接下來會(huì)提供什么樣的菜肴，”Peter Kharchenko說道，該研究的高級(jí)作者和哈佛醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)助理教授。

科學(xué)家測(cè)量了在標(biāo)準(zhǔn)單細(xì)胞分析過程中已經(jīng)被捕獲的痕量分子標(biāo)記 - 但經(jīng)常被認(rèn)為是“噪音”。

科學(xué)家們說，這些分子標(biāo)記為細(xì)胞的意圖和過去的足跡提供了線索。這些標(biāo)記出現(xiàn)在RNA生命周期的各個(gè)部分 - 一個(gè)細(xì)胞將遺傳指令轉(zhuǎn)化為功能蛋白質(zhì)的過程。該過程分五個(gè)步驟進(jìn)行：

轉(zhuǎn)錄，其中細(xì)胞讀取其部分DNA以產(chǎn)生新生形式的前體信使RNA或前mRNA。

剪接和其他處理，在此過程中，新生的前mRNA被編輯成成熟的mRNA分子 - 指導(dǎo)功能蛋白質(zhì)制作的書面行進(jìn)順序。

核輸出，在此過程中，用成熟mRNA編寫的遺傳行進(jìn)命令從細(xì)胞核(保存遺傳密碼的穹窿)中輸出，并進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行處理。

翻譯過程中，成熟mRNA釋放書面順序并將其轉(zhuǎn)化為功能蛋白。

降解，在此過程中，已經(jīng)完成其工作的mRNA被切碎并通過回收進(jìn)行標(biāo)記以進(jìn)行破壞。

在這個(gè)循環(huán)過程中，細(xì)胞含有不同階段的mRNA混合物 - 新制造的，新生的前mRNA，成熟的mRNA和片段化的切碎的mRNA，在其被回收的途中。

該團(tuán)隊(duì)假設(shè)，每個(gè)階段都有不同的分子痕跡，可以提供關(guān)于細(xì)胞未來方向和最終命運(yùn)的線索。

“我們推斷，通過區(qū)分生命周期不同階段的mRNA分子，我們將捕獲單個(gè)細(xì)胞的過去，現(xiàn)在和未來狀態(tài)，”Kharchenko說。

奔跑留在原地

為了保持活力，細(xì)胞永遠(yuǎn)不會(huì)停止移動(dòng)。在任何特定時(shí)刻，細(xì)胞都會(huì)上下移動(dòng)數(shù)百或數(shù)千個(gè)基因，這個(gè)過程的特征是不同水平的mRNA表達(dá)。

即使當(dāng)細(xì)胞不試圖改變其過程或身份時(shí)，它也處于平衡狀態(tài)，其標(biāo)志是新生mRNA的穩(wěn)定產(chǎn)生和成熟mRNA的降解。這種平衡作用確保細(xì)胞保持恒定量的全功能mRNA分子以維持其現(xiàn)狀。然而，任何方向的轉(zhuǎn)變 - 過多的新生mRNA被剔除或細(xì)胞行為的變化太小，這是細(xì)胞正在轉(zhuǎn)變的跡象。

通過測(cè)量不同表達(dá)階段mRNA的比例，科學(xué)家們能夠預(yù)測(cè)細(xì)胞的軌跡和最終狀態(tài) - 它試圖變成什么類型??的細(xì)胞。

例如，大腦由幾種類型的神經(jīng)細(xì)胞組成，這些神經(jīng)細(xì)胞來自共同的祖細(xì)胞。但最終，傳遞神經(jīng)信號(hào)的成體神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞具有非常不同的能力和功能，膠質(zhì)細(xì)胞是支持和滋養(yǎng)神經(jīng)元的支持細(xì)胞。

“在這種細(xì)胞分化過程中，數(shù)百個(gè)基因被打開或關(guān)閉，這取決于祖細(xì)胞試圖變成什么類型??的成體細(xì)胞，”Kharchenko說。

通過分析祖先細(xì)胞在這個(gè)“成年”期間產(chǎn)生的不同mRNA標(biāo)記物的數(shù)量，科學(xué)家們可以找出細(xì)胞在哪里，它將成為什么樣的細(xì)胞類型。

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，研究人員通過測(cè)量幾個(gè)數(shù)據(jù)集中的細(xì)胞標(biāo)記來測(cè)試其預(yù)測(cè)強(qiáng)度，這些數(shù)據(jù)集包含成熟和分化過程中小鼠和人體組織細(xì)胞的信息。分析單個(gè)細(xì)胞的RNA譜，例如來自人類前腦的神經(jīng)元祖細(xì)胞或神經(jīng)內(nèi)分泌小鼠細(xì)胞的前體，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)，預(yù)測(cè)的細(xì)胞未來狀態(tài)準(zhǔn)確地捕獲了他們正在嘗試的東西。

在另一組實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家測(cè)量了該模型在除開發(fā)之外的細(xì)胞過程中的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。該模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了響應(yīng)光激活的小鼠神經(jīng)元的最終狀態(tài)。

在另一個(gè)更復(fù)雜的例子中，研究小組測(cè)量了RNA速度，作為從小鼠海馬獲得的一組分化細(xì)胞中細(xì)胞命運(yùn)的預(yù)測(cè)因子，小鼠海馬中的一個(gè)區(qū)域具有長(zhǎng)期和短期記憶等功能。和空間定位。研究人員使用分子標(biāo)記分析超過18,000個(gè)單個(gè)細(xì)胞中的RNA速度，以確定方向并預(yù)測(cè)腦干細(xì)胞或中間祖細(xì)胞的最終命運(yùn)。同樣，分析證實(shí)，細(xì)胞的預(yù)測(cè)未來與其最終命運(yùn)準(zhǔn)確對(duì)齊。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，引人注目的是，RNA速度模式顯示，在關(guān)鍵決策十字路口周圍發(fā)現(xiàn)的許多看似相似的細(xì)胞已經(jīng)在明顯不同的方向上移動(dòng)，預(yù)示著不同的細(xì)胞命運(yùn)。

該團(tuán)隊(duì)表示，這種方法最終可以幫助科學(xué)家們收集有關(guān)一系列發(fā)育障礙的寶貴見解。

“RNA速度詳細(xì)顯示了神經(jīng)元和其他細(xì)胞在大腦發(fā)育和成熟時(shí)如何獲得其特定功能，”該研究的共同資深作者，卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院分子系統(tǒng)生物學(xué)教授Sten Linnarsson說。“我們特別感到興奮的是，這種新方法有望幫助揭示大腦通常如何發(fā)展，同時(shí)也為人類大腦發(fā)育障礙(例如精神分裂癥和自閉癥)的問題提供線索。”