一切都在数学中新工具为细胞开发提供了路线图

哥伦比亚大学医学中心的研究人员创造了一种新工具来描述细胞可能发展的许多可能方式。该工具植根于拓扑学的数学领域，提供了一个路线图，可以详细了解干细胞如何产生特化细胞。该研究发表于今天的Nature Biotechnology。

每个生物都以一个细胞开始。随着细胞分裂，其拷贝分支成为特化细胞 - 例如心脏，骨骼或脑细胞 - 在称为分化的过程中。为了理解沿着这条路径移动细胞的内部和外部线索，科学家们可以测序他们的RNA - 将DNA转化为蛋白质和其他产物的分子信使。

然而，来自一批细胞的测序RNA并不理想，因为细胞通常处于不同的发育状态。为了解决这个问题，科学家开发了单细胞RNA测序。“它就像一台新显微镜，让我们能够同时研究许多生物现象，”哥伦比亚大学系统生物学和生物医学信息学副教授，该论文的共同作者Raul Rabadan博士说。“然而，研究人员仍然存在理解不同细胞状态之间关系的问题，这些关系推动了发展过程。”

为了研究细胞发育，科学家们使用数学工具来分析大量的测序数据。但是这些工具依赖于缩小可能结果的基本假设。“由于细胞发育的复杂性，做出假设的模型实际上限制了你发现新发现的能力，”哥伦比亚大学生物化学与分子生物物理系博士后研究科学家，该论文的第一作者Abbas Rizvi博士说。

Rizvi博士与生物医学信息学和系统生物学系的博士后研究员和理论物理学家Pablo G. Camara博士一起研究拓扑学，这是一个研究表面和形状之间空间关系的数学领域，用于识别连接在不同的细胞状态和细胞处于这些状态时活跃的基因之间。该合作开发了一种算法，称为单细胞拓扑数据分析(scTDA)。该算法分析单个细胞的RNA序列，重建潜在的发育轨迹，并及时捕获不同转录程序的进展。

研究人员使用scTDA绘制了小鼠干细胞的路径，这些小鼠干细胞被诱导成为运动神经元细胞。该图正确地指出了这些细胞的可能发育轨迹，从干细胞开始并最终成为神经元。通过查看地图中特定叉子附近哪些基因是活跃的，研究人员能够识别出在沿着路径的不同点处引导细胞发育的蛋白质。该方法还用于研究来自小鼠肺，人胚胎和小鼠脑的干细胞的发展途径。

“随着科学家挖掘这一数据集，我们期望发现更多的发现，”共同作者Tom Maniatis博士说，他是哥伦比亚大学生物化学和分子生物物理系主任，Isidore S. Edelman生物化学教授。“它确实为在非常特定的发育阶段对个体细胞进行深入分析开辟了可能性，”Maniatis博士说。

“这种方法提供了对细胞潜在命运的深刻见解，使我们能够获得控制细胞特性的关键调节因子和分子转换 - 并提供机会引导细胞远离对其发育产生负面影响的途径，”里兹维博士说。

该方法目前正用于揭示复杂生物过程(包括癌症)的动态和细胞构成。

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