计算机模型在早期胚胎基因网络的发展

计算机软件开发的圣路易斯华盛顿大学医学院的能预测会发生什么变化复杂的基因网络个体基因缺失或接通时比平时更多。这种基因网络早期胚胎发育中扮演关键性的角色,指导干细胞形成特定的细胞类型,然后构建组织和器官。映射单个基因的作用在这些网络是理解健康发展关键和寻找再生受损的细胞和组织。同样,理解基因错误可以提供洞察出生缺陷、流产,甚至癌症。

这种基因的实验——通常在实验室进行了在小鼠和斑马鱼等动物模型——几十年来动物发育生物学研究的主流。可以学到很多关于动物研究的基因的功能缺失或过表达基因,但这些实验也昂贵和耗时。

相比之下,新开发的软件称为CellOracle - 2月8日在《自然》杂志上描述模型数百个基因实验可以在几分钟内,帮助科学家们识别关键基因在发展发挥着重要作用,但可能已经错过了老,慢的技术。CellOracle是开源的,代码和软件可以在这个链接的信息。

“科学界已经收集足够的数据从动物实验,我们现在可以做多观察生物学发生——我们可以构建计算机模型的基因相互作用和预测会发生什么当一个基因缺失,”资深作者说萨曼莎·a·莫里斯,博士学位发育生物学和遗传学副教授。“我们可以做这个没有任何实验干预。一旦我们确定一个重要的基因,我们仍然需要做实验来验证这一发现。但是这种计算方法有助于科学家缩小哪些基因是最重要的。”

CellOracle,这是包括在最近的技术特征在《自然》杂志上吗,是一种相对较新的软件系统设计模型洞察细胞基因调控。而不是简单地识别网络,CellOracle的独特之处在于它能让研究人员测试时发生网络中断在一个特定的方式。

莫里斯和她的研究小组利用著名的血细胞的形成发展过程的老鼠和人类和斑马鱼胚胎发育在验证CellOracle正常工作。他们的研究,与合作者和斑马鱼的实验室合作开发专家Lilianna Solnica-Krezel博士艾伦·a .和伊迪丝·l·沃尔夫特聘教授和负责人部发育生物学也发现某些基因在斑马鱼发展新的角色以前从未被发现。

和相关的一篇论文在线《干细胞》杂志上报道,莫里斯和她的同事们使用CellOracle预测会发生什么当某些基因拨了超出他们通常的表达水平。

“我们发现,如果我们打了两个特定的基因,我们可以将皮肤细胞转化为一种可以修复受损细胞,肠和肝脏,”莫里斯说。“再生医学而言,这些预测工具价值建模如何重组细胞变成类型的细胞能够促进愈合后受伤或疾病。”

据莫里斯,大多数实验室方法将干细胞转化为不同的细胞类型,如血液细胞或肝细胞,效率低下。也许2%的细胞到达目的地。CellOracle等工具可以帮助科学家确定哪些因素应该被添加到鸡尾酒指导更多的细胞所需的细胞类型,比如那些有能力修复肠道和肝脏。

目前,CellOracle模型细胞身份在超过10个不同的物种,包括人类,老鼠、斑马鱼、酵母、鸡、几内亚猪,老鼠,果蝇,蛔虫,青蛙的拟南芥植物和两个物种。

“我们得到了很多的请求添加不同的物种,”莫里斯说。“我们正在努力增加蝾螈,这是一个类型的蝾螈。他们很酷动物研究再生的整个肢体再生,因为他们的能力和其他复杂的器官和组织。”

引用:

1。Kamimoto K, Stringa B,霍夫曼厘米,金达尔K, Solnica-Krezel L,莫里斯SA。通过网络推理和分析细胞的身份在网上基因扰动。自然。2023:1-10。doi:10.1038 / s41586 - 022 - 05688 - 9

2。阿迪尔太Kamimoto K,金达尔K,等。基因调控网络重新配置直接沿袭重组。干细胞的报道。2023;18 (1):97 - 112。doi:10.1016 / j.stemcr.2022.11.010

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