揭示細胞通過一種數(shù)學上的**解碼策略找到自己的身份

有機體由許多類型的細胞組成，這些細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和奧地利科學技術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。相關研究結果發(fā)表在2019年2月7日的Cell期刊上，論文標題為“Optimal Decoding of Cellular Identities in a Genetic Network”。論文通訊作者為普林斯頓大學的Thomas Gregor。論文**作者為普林斯頓大學的Mariela Petkova和奧地利科學技術研究所的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，從而形成一種復雜的空間模式。這個胚胎中的單個細胞并不具有它們在胚胎內的位置的“全局視圖”。因此，科學家們猜測一個細胞測量這些gap基因的濃度，使用這些濃度作為化學全球定位系統(tǒng)來確定它所在的位置，并決定變成某種細胞類型。

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)生了哪些化學反應。”

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。“細胞接收到的關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胞---包括胚胎中的細胞---是否能夠準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**解碼器預測當任何一個gap基因發(fā)生突變時胚胎形態(tài)將會發(fā)生什么，并將這種預測結果與突變體胚胎中發(fā)生的真實情況進行比較。這種**解碼器正確地預測了突變胚胎的形態(tài)如何受到干擾，準確度為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，“這種結果是令人吃驚的。在不需要知道細胞如何確定其位置的機制的情形下，僅是假設這是**化的，而且與此同時，通過使用這四個gap基因的絕對濃度，我們就能夠預測突變胚胎中的定位變化。”這些結果提示著在果蠅胚胎中，細胞身份的建立接近于**。