賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員及其同事開(kāi)發(fā)了一種工具來(lái)分析單個(gè)細(xì)胞，該工具評(píng)估細(xì)胞內(nèi)基因激活的模式以及哪些兄弟姐妹細(xì)胞共享共同的祖細(xì)胞。

在單細(xì)胞水平上分析數(shù)據(jù)的最新進(jìn)展幫助生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了有關(guān)細(xì)胞及其行為的新信息。一種常用的方法，稱為聚類，允許科學(xué)家根據(jù)特征對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分組，例如活性或非活性基因的獨(dú)特模式，或者通過(guò)復(fù)制細(xì)胞的后代(稱為克隆)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分組。

盡管單細(xì)胞聚類導(dǎo)致了許多重要的發(fā)現(xiàn)，例如，新的癌細(xì)胞亞群或未成熟干細(xì)胞成熟為“特化”細(xì)胞的方式，但研究人員無(wú)法將他們對(duì)基因激活模式的了解與他們對(duì)克隆譜系的了解結(jié)合起來(lái)。

現(xiàn)在，由賓夕法尼亞大學(xué)生物工程教授Arjun Raj領(lǐng)導(dǎo)的Cell Genomics上發(fā)表的研究導(dǎo)致了ClonoCluster的發(fā)展。這個(gè)開(kāi)源工具將獨(dú)特的基因激活模式與克隆信息相結(jié)合。這會(huì)產(chǎn)生混合聚類數(shù)據(jù)，可以快速識(shí)別新的細(xì)胞性狀;然后可以用來(lái)更好地了解對(duì)某些癌癥療法的耐藥性。

“以前，這些是獨(dú)立的模式，你會(huì)將表達(dá)相同基因的細(xì)胞聚集在一個(gè)批次中，并將其他具有共同祖先的細(xì)胞聚集在另一個(gè)批次中，”第一論文作者，Raj實(shí)驗(yàn)室的前博士后Lee Richman說(shuō)，他現(xiàn)在在波士頓的布萊根婦女醫(yī)院。

“令人興奮的是，這個(gè)工具允許你在簇周圍畫新的線并探索它們的特性，這可以幫助我們識(shí)別新的細(xì)胞類型、功能和分子途徑。

Raj實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用一種稱為條形碼的技術(shù)為他們感興趣的研究細(xì)胞分配標(biāo)簽;特別適用于跟蹤細(xì)胞，根據(jù)細(xì)胞后代對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，以及隨時(shí)間跟蹤譜系。

研究人員相信他們可以通過(guò)結(jié)合細(xì)胞獨(dú)特的基因激活模式從這些數(shù)據(jù)中解析出更有價(jià)值的信息，因此將ClonoCluster應(yīng)用于六個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集使用條形碼來(lái)跟蹤分裂細(xì)胞的后代。具體來(lái)說(shuō)，他們研究了化療耐藥性和干細(xì)胞發(fā)展成專門的組織類型。

就像立體聲系統(tǒng)允許用戶控制左揚(yáng)聲器相對(duì)于右揚(yáng)聲器之間的聲音平衡一樣，研究人員在ClonoCluster中添加了一個(gè)名為“alpha”的可調(diào)參數(shù)。

這使得該團(tuán)隊(duì)能夠微調(diào)他們對(duì)克隆條形碼聚類相對(duì)于基因激活模式的重視程度 - 0對(duì)應(yīng)于基因激活，1對(duì)應(yīng)于克隆條形碼。

在這個(gè)0到1的alpha量表上，他們發(fā)現(xiàn)alpha設(shè)置得越接近克隆通道，它們的雜交簇就越能表達(dá)與細(xì)胞外環(huán)境相互作用和信使RNA蛋白質(zhì)翻譯相關(guān)的獨(dú)特基因水平。

“通常，當(dāng)你考慮細(xì)胞功能是如何決定和調(diào)節(jié)的時(shí)，你認(rèn)為很可能是內(nèi)在機(jī)制決定了哪些基因?qū)⒈槐磉_(dá)，或者細(xì)胞的命運(yùn)，”里奇曼說(shuō)。“因此，我們認(rèn)為這暗示了這樣一個(gè)事實(shí)，即細(xì)胞也可以通過(guò)非遺傳手段繼承性狀，可能通過(guò)環(huán)境線索。

基因調(diào)控背后的普遍觀點(diǎn)表明，被稱為轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)與DNA序列上的特定點(diǎn)結(jié)合并激活或抑制某些基因，這有助于解釋為什么動(dòng)物中的大多數(shù)細(xì)胞具有相同的遺傳信息，但發(fā)揮不同的作用。

當(dāng)這些細(xì)胞與不同的位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，轉(zhuǎn)錄因子向蛋白質(zhì)制造裝置發(fā)出信號(hào)，細(xì)胞應(yīng)該產(chǎn)生哪些蛋白質(zhì)以保持功能相關(guān)性。然后，科學(xué)家可以使用這些生物標(biāo)志物來(lái)監(jiān)測(cè)細(xì)胞特性并預(yù)測(cè)細(xì)胞下一步可能做什么。

加強(qiáng)對(duì)細(xì)胞行為的科學(xué)理解可以改善對(duì)細(xì)胞克隆的了解。它還可以提供關(guān)于重復(fù)猖獗時(shí)出錯(cuò)的見(jiàn)解，例如在癌癥和某些與基因突變相關(guān)的疾病的情況下，這些疾病的特點(diǎn)是克隆細(xì)胞在給定細(xì)胞群中的過(guò)度代表性。

研究人員為ClonoCluster開(kāi)發(fā)了一種稱為Warp Factor的補(bǔ)充工具，以使這項(xiàng)工作更進(jìn)一步。這結(jié)合了現(xiàn)有的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，該工具簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)集可視化，以更好地解釋克隆數(shù)據(jù)與其混合集群之間的關(guān)系。

使用這兩種工具，研究小組確定了以前似乎過(guò)于分散而無(wú)法推斷細(xì)胞身份的不同表達(dá)模式，這些信息可以幫助研究人員更多地了解細(xì)胞如何分化和功能。

“我們認(rèn)為這項(xiàng)工作表明，隨著時(shí)間的推移跟蹤細(xì)胞身份可以提供研究人員尚未意識(shí)到的新信息層，并希望可以用來(lái)加深我們對(duì)癌癥和其他疾病的理解，”Raj說(shuō)。

他和同事們將繼續(xù)更新和完善克隆集群。他們認(rèn)為這是計(jì)算細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)步，有可能在未來(lái)提供更完整的細(xì)胞特征和功能。