揭示細(xì)胞通過一種數(shù)學(xué)上的**解碼策略找到自己的身份

有機體由許多類型的細(xì)胞組成，這些細(xì)胞以一種精確的和可再現(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，有機體中遺傳上相同的細(xì)胞是如何分化的？

如今，在一項新的研究中，來自美國普林斯頓大學(xué)和奧地利科學(xué)技術(shù)研究所的研究人員證實在正在發(fā)育的果蠅中，四個基因（即所謂的gap基因）的表達水平能夠可被聯(lián)合解碼為**的位置配置。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年2月7日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Optimal Decoding of Cellular Identities in a Genetic Network”。論文通訊作者為普林斯頓大學(xué)的Thomas Gregor。論文**作者為普林斯頓大學(xué)的Mariela Petkova和奧地利科學(xué)技術(shù)研究所的Ga?perTka?ik。

在果蠅胚胎中，這4個gap基因沿著雪茄形胚胎的長軸在多個區(qū)域中開啟，從而形成一種復(fù)雜的空間模式。這個胚胎中的單個細(xì)胞并不具有它們在胚胎內(nèi)的位置的“全局視圖”。因此，科學(xué)家們猜測一個細(xì)胞測量這些gap基因的濃度，使用這些濃度作為化學(xué)全球定位系統(tǒng)來確定它所在的位置，并決定變成某種細(xì)胞類型。

然而，這種存在了幾十年的觀點未能解釋所有的觀察結(jié)果，Tka?ik說道，“幾個老生常談的問題仍然存在，到目前為止，大多數(shù)科學(xué)家已從機制上的角度研究了所涉及的分子，位置是如何讀出的以及隨后發(fā)生了哪些化學(xué)反應(yīng)。”

不過，在這項新的研究中，這些研究人員采取了一種不同的方法。“細(xì)胞接收到的關(guān)于它們位置的信號是有噪聲的---gap基因表達的水平在時間上和不同胚胎之間發(fā)生波動。在僅有四個噪聲濃度信號時，一個細(xì)胞僅看見一次，這就限制了它計算它的位置的精確度。這都是一個基本的物理限制。鑒于gap基因濃度中的這種噪音，我們想要知道任何細(xì)胞---包括胚胎中的細(xì)胞---是否能夠準(zhǔn)確地知道它們所在的位置。”

從理論的角度來看，所采取的這種方法是比較明確的，Tka?ik解釋道，“理論讓我們使用了**解碼（optimal decoding），即一種已建立的統(tǒng)計推斷方法。”為此做到這一點，這些研究人員以足夠高的準(zhǔn)確度測量了gap基因的表達水平，以便描述系統(tǒng)中的生物噪音。基于gap基因如何在野生型胚胎中開啟，他們構(gòu)建出一種**解碼器。為了測試這種**解碼器，他們借助這種**解碼器預(yù)測當(dāng)任何一個gap基因發(fā)生突變時胚胎形態(tài)將會發(fā)生什么，并將這種預(yù)測結(jié)果與突變體胚胎中發(fā)生的真實情況進行比較。這種**解碼器正確地預(yù)測了突變胚胎的形態(tài)如何受到干擾，準(zhǔn)確度為1％，并且無需使用必須通過實驗估計出的自由參數(shù)。Tka?ik解釋道，“這種結(jié)果是令人吃驚的。在不需要知道細(xì)胞如何確定其位置的機制的情形下，僅是假設(shè)這是**化的，而且與此同時，通過使用這四個gap基因的絕對濃度，我們就能夠預(yù)測突變胚胎中的定位變化。”這些結(jié)果提示著在果蠅胚胎中，細(xì)胞身份的建立接近于**。