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

有機(jī)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(jī)體中遺傳上相同的細(xì)胞是如何分化的？

如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)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(shí)在正在發(fā)育的果蠅中，四個(gè)基因（即所謂的gap基因）的表達(dá)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(gè)gap基因沿著雪茄形胚胎的長(zhǎng)軸在多個(gè)區(qū)域中開啟，從而形成一種復(fù)雜的空間模式。這個(gè)胚胎中的單個(gè)細(xì)胞并不具有它們?cè)谂咛?nèi)的位置的“全局視圖”。因此，科學(xué)家們猜測(cè)一個(gè)細(xì)胞測(cè)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(lái)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(diǎn)未能解釋所有的觀察結(jié)果，Tka?ik說(shuō)道，“幾個(gè)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(jī)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(guò)，在這項(xiàng)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(hào)是有噪聲的---gap基因表達(dá)的水平在時(shí)間上和不同胚胎之間發(fā)生波動(dòng)。在僅有四個(gè)噪聲濃度信號(hào)時(shí)，一個(gè)細(xì)胞僅看見一次，這就限制了它計(jì)算它的位置的精確度。這都是一個(gè)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(lái)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(jì)推斷方法。”為此做到這一點(diǎn)，這些研究人員以足夠高的準(zhǔn)確度測(cè)量了gap基因的表達(dá)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(cè)試這種**解碼器，他們借助這種**解碼器預(yù)測(cè)當(dāng)任何一個(gè)gap基因發(fā)生突變時(shí)胚胎形態(tài)將會(huì)發(fā)生什么，并將這種預(yù)測(cè)結(jié)果與突變體胚胎中發(fā)生的真實(shí)情況進(jìn)行比較。這種**解碼器正確地預(yù)測(cè)了突變胚胎的形態(tài)如何受到干擾，準(zhǔn)確度為1％，并且無(wú)需使用必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)估計(jì)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(jī)制的情形下，僅是假設(shè)這是**化的，而且與此同時(shí)，通過(guò)使用這四個(gè)gap基因的絕對(duì)濃度，我們就能夠預(yù)測(cè)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**。