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      細胞使用數(shù)學上最優(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胞組成，這些細胞以精確和可再現(xiàn)的空間模式排列，從而產(chǎn)生適當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胞如何分化?一個研究小組，包括奧地利科學技術(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。
      

      細胞使用數(shù)學上最優(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，形成復雜的空間模式。胚胎中的個體細胞不具有它們在胚胎內(nèi)的位置的“全局視圖”。因此，科學家假設(shè)細胞測量間隙基因的濃度，使用這些濃度作為化學全球定位系統(tǒng)來確定其位置，并決定成為某種細胞類型。
      

      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)機械地研究了所涉及的分子，如何讀出位置，以及隨后的化學反應(yīng)是什么“。
      

      然而，在目前的研究中，團隊采取了不同的方法。“細胞接收到的關(guān)于它們位置的信號是有噪聲的 - 間隙基因表達的水平在時間和胚胎之間波動。只有四個噪聲濃度信號，細胞看起來只有一次限制了這個細胞計算其位置的精確度無論涉及何種機制或計算，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 - 包括胚胎中的細胞 - 能夠準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)計推斷方法。” 為此，研究人員測量了間隙基因表達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情況進行比較。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，準確度為1%，并且沒有必須通過實驗估計的自由參數(shù)。“這個結(jié)果令人驚訝。不需要知道細胞如何確定其位置的機制，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，細胞身份的建立接近最佳。“進化一直在推動這個系統(tǒng)足夠強大，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)學上最佳的位置計算，”Tka?ik說，“雖然我們沒有研究哪種機制起作用，但我們的結(jié)果表明我們不能很好地理解這種機制。根據(jù)假定的機制擬合數(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，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胞處理可用信息。“僅僅因為信息已經(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)換為更容易被細胞訪問的格式，從而可靠地提交給明確定義的細胞類型。“
      
			

			
        
      
			
      
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