新型的地图连接细胞重新编程的点

单细胞RNA序列(scRNA-seq)显示哪些基因个体细胞表达在一个给定的时刻,并且可以提供大量的细胞如何随着时间的数据。

然而,scRNA-seq破坏细胞,所以科学家们不能精确跟踪一个细胞时所采用的路径从一个状态到另一个地方。结果,仍然有很多我们不知道,例如,胚胎发育在正常细胞如何变换,或当他们重新编程从成熟到癌状态。

试图填补这些知识空白,广泛的科学家们利用一个强大的数学称为“最优运输”的方法来创建一个被称为Waddington-OT框架。他们随后使用这种方法预测种群的细胞从一个状态转换到另一个在大规模scRNA-seq时间进程的研究干细胞重新编程。

这项工作提供了新的分析功能和一个巨大的发育生物学数据到社区的聚宝盆。

“在发育生物学,我们希望能够了解细胞的起源和命运在每一个发展阶段,并认识到监管程序控制的命运,”杰弗里Schiebinger说博士后与广泛的核心和卡拉曼细胞天文台主任特拉维夫Regev研究所成员。“通过缝合的快照数据一起到电影,最优交通有助于揭示发育过程的细节如何展开。”

Schiebinger co-first作者之一在纸上呈现工作细胞,随着剑蜀,Broad研究所博士后研究员总统和创始董事Eric Lander;Regev实验室博士后戈它;着陆器和Regev实验室研究生布赖恩·克利里。

“以前,没有大规模scRNA-seq路线图重组过程,“蜀说,生物学家鲁道夫Jaenisch怀特黑德研究所工作。“现在我们提供两个资源,分析这些重编程过程的一种新方法和第一个高分辨率的实验室数据过程。”

“单细胞RNA序列是非常强大的,前所未有的细节可以揭示发育过程及其高分辨率时间,“雷格夫说。“理解这一切不仅需要从头开始创建新的数学方法,而且我们再回过头来看看如何适应数学创新以新的方式从过去的。”

找到“最优”的路径

对细胞前进的经典比喻成特定血统是一个“表观遗传景观”提出的1957年,英国生物学家h沃丁顿细胞像玻璃球滚下来一个滑雪场山脊和山谷。

然而,沃丁顿的比喻并不跟踪可能的路径一群细胞可能会成熟。细胞顶部的每个山谷斜坡产生的细胞?

“所有我们可以看到的细胞存在某一个时间点,然后在下次的细胞存在,“Schiebinger解释说,他也是一个在麻省理工学院博士后研究员菲利普Rigollet中心的统计数据,并与着陆器密切合作。“有很多方法来连接细胞出现在开始这些。”


视频来源:广泛的研究所

预测连接、Schiebinger它,克利里,和他们的同事们转向最佳运输。首次探索数学技术是在1780年代由法国数学家蒙日加斯帕德,最有效的方法来计算士兵将污垢,而建筑防御工事;拿破仑利用该方法在竞选期间在埃及。Schiebinger和他的同事们认为,他们可以用它来了解细胞找到最优发展路线。

通过将细胞生长和死亡纳入方程,科学家最优交通生物学适应创建Waddington-OT框架。“它看起来最简单的可能的解释的数据,“Schiebinger说。”我们所知,这可能是第一个最优运输在生物学中的应用”。

在这个简短的视频,Geoff Schiebinger解释了18世纪数学可以帮助揭示生物学的新见解。

跟踪时间点

蜀和其他团队Waddington-OT适用于大规模scRNA-seq研究追踪成熟细胞的过程中,在这种情况下小鼠成纤维细胞,重组成所谓的诱导多能干细胞(万能)。

这项研究涉及两个单独的编程实验。最初,每48小时小组收集样品在16天,生成大约65000 scRNA-seq基因表达谱。当这个给了有前景的结果,舒和他的同事收集了第二,super-high-density时间,采样每12小时甚至更长时间的18天。总的来说,他们收集了超过315000个档案,到目前为止规模最大的此类研究。

应用Waddington-OT生成的数据集,调查人员发现,细胞重新编程可以引起更广泛的发展计划和状态变化比科学家以前知道。一天半的重组过程,例如,他们看到的细胞开始分裂成两个主要团体:一个催生stroma-like细胞(支持结构和结缔组织细胞),,另一个接受所谓mesenchymal-to-epithelial过渡和引起细胞像万能,神经元,胎盘细胞。

此外,他们看到那些早期的命运是不一定是固定的:一些细胞开始发展的一个主要组后转移到另一个。

Waddington-OT还强调了许多阶段,不同的子类盛开和减少,甚至显示,一些细胞染色体畸变类型。

团队进行后续实验测试Waddington-OT的两个预测,研究如何添加一个名为Obox6转录因子和细胞因子称为GDF9重编程细胞可能影响重组效率。Waddington-OT建议,这两个化合物增强干细胞增殖,表明该框架可以揭示改善重编程过程的机会。

传输映射为所有

研究小组正在他们的数据和一个可下载的研究团体的互动Waddington-OT观众免费。

“观众我们可以想象的后代细胞随着时间的推移,他们的后代,“Schiebinger说,“和可视化这些轨迹向前和向后。任何人都可以输入一个最喜欢的基因和基因的基因表达模式。

“此外,可以做这个签名的细胞增殖等生物学途径,或任何其他的过程,”他补充道。

“这是美妙的,一个230岁的数学方法,重新排列污垢和一个五岁的研究细胞的实验方法相结合,可以帮助提供一个方法来探索发育生物学的前沿,”兰德说。

这篇文章被转载材料提供的Broad研究所。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。