测量RNA速度可预测单个细胞的未来状态和最终命

2018-08-16 09:22

  任何给定器官的健康功用或引发疾病的功用妨碍源于构成该器官的单个细胞的正常行为或行为反常。
  
  最近的技能进步使得科学家们可以一次一个细胞地剖析细胞的效果,可是这些技能仅能发作细胞活性的静态快照。迄今为止,无需经过细胞冻存就可捕获单个细胞的行为用于猜想它的未来一直是无法完结的。
  
  现在,在一项新的研讨中,来自美国哈佛医学院和卡罗林斯卡医学院的研讨人员初次成功地将细胞决议计划作为一个动态进程加以捕获,在这个进程中,细胞决议着做什么和前往哪里。这种办法是一种数学模型,可用于预算RNA速度(RNA velocity)---RNA随时间改动的速率,这种RNA速度可在以小时计的尺度上作为细胞命运的猜想因子。相关研讨成果于2018年8月8日在线宣布在Nature期刊上,论文标题为“RNA velocity of single cells”。
  
  捕获细胞目的的才能可有助于科学家更好地剖析杂乱安排和器官中的细胞功用和功用妨碍。此外,这还可能有助于监测器官的发育状况以及它们在细胞水平上怎么对一种给定药物或疗法作出反应---这些知道有助于评价医治的效果。
  
  细胞厨房就这种猜想模型而言,这些研讨人员捕获了mRNA的改动。mRNA是一种信使分子,它带着着嵌入到DNA中的遗传指令,并将这些指令翻译成细胞中的蛋白,从本质上讲,它们带着的指令通知细胞需求表达多少蛋白。
  
  论文一起通讯作者、哈佛医学院生物学信息学助理教授Peter Kharchenko说,“估量RNA速度---或许说RNA随时间改动的速度---类似于调查饭馆厨房的厨师,这是由于他们摆放食材以断定他们接下来会供给什么样的菜肴。”
  
  这些研讨人员丈量了一般被认为是“噪音”的示踪分子---规范的单细胞剖析进程中已捕获到的标志物。
  
  这些研讨人员说,这些分子标志物为细胞的目的和曩昔脚印供给了头绪。这些标志物出现在RNA生命周期---细胞将遗传指令转化为功用性蛋白的进程---的各个阶段。这个进程可分为五个进程:(1)转录,即细胞读取它的DNA发作重生的mRNA前体(pre-mRNA);(2)剪接和其他的进程,在此期间,重生的pre-mRNA经修改后发作老练的mRNA分子,用于辅导功用性蛋白发作;(3)核输出,在此期间,mRNA从细胞核转运到细胞质中,承受进一步加工;(4)翻译,在此期间,老练的mRNA根据带着的遗传指令发作功用性的蛋白;(5)降解,在此期间,mRNA一旦完结它的任务,就会遭受切开并被收回使用。
  
  在这个生命周期中,细胞含有处于不同阶段的mRNA混合物---重生的mRNA前体、老练的mRNA和片段化的遭受切开的mRNA。
  
  这些研讨人员猜想RNA生命周期的每个阶段都有不同的分子标志物,然后给细胞的未来方向和终究命运供给头绪。
  
  说,“咱们揣度,经过区别mRNA分子处于生命周期的不同阶段,咱们将捕获单个细胞的曩昔、现在和未来状况。”
  
  坚持平衡状况为了坚持生机,细胞永久不会中止不前。在任何给定时间,细胞都会上调或下调数百或数千个基因,这个进程的特征是不同的mRNA表达水平。
  
  即便当细胞不企图改动它的轨道或身份时,它也处于平衡状况,其特征是重生mRNA的安稳发作和老练mRNA的降解。这种平衡效果保证细胞坚持稳定数量的全功用性mRNA分子以保持它的现状。但是,任何方向的改变---过多的或过少的重生mRNA被移除---都预示着细胞行为的改动。
  
  经过丈量处于不同阶段的mRNA的份额,这些研讨人员可以猜想细胞的轨道和终究状况 - 它企图变成何种细胞类型。
  
  比方,大脑由几种类型的神经细胞组成,这些神经细胞来自一个一起的祖细胞。不过终究,传递神经信号的成体神经元与胶质细胞---扞卫和滋补神经元的支撑细胞---具有十分不同的才能和功用。
  
  说,“在这种细胞分解进程中,数百个基因敞开或封闭,这取决于这个祖细胞企图变成何种类型的成体细胞。”
  
  经过剖析一个祖细胞在“老练期间”发作的不同mRNA符号物的数量,这些研讨人员可以断定这个细胞前往哪里,它将变成何种细胞类型。
  
  为了验证这种数学模型的精确性,研讨人员经过丈量几个数据会集的细胞标志物来测验它的猜想才能,其间这些数据集包括关于老练和分解期间小鼠和人体安排中细胞的信息。经过剖析单个细胞(比方来自人类前脑的神经元的祖细胞或许小鼠神经内分泌细胞的前体细胞)的RNA,这些研讨人员证明对这些细胞的未来状况的猜想与它们企图变成的细胞类型精确地相符合。
  
  在另一组试验中,这些研讨人员丈量了这种数学模型在除发育之外的细胞进程中的猜想精确性。它精确地猜想了在对光作出反应时被激活的小鼠神经元的终究状况。
  
  在另一个更杂乱的比方中,这些研讨人员以从小鼠海马体中取得的一组分解细胞为研讨目标,丈量了RNA速度作为细胞命运的猜想因子。他们使用分子标志物剖析了1.8万多个细胞中的RNA速度,以断定大脑干细胞或中心祖细胞的未来方向和猜想它们的终究命运。同样地,这种剖析成果证明对这些细胞未来的猜想成果与它们的终究命运精确地相一致。
  
  有目共睹的是,这些研讨人员发现这些RNA速度形式标明在要害决议计划的十字路口周围发现的许多看似类似的细胞已在显着不同的方向上移动,然后预示着不同的细胞命运。
  
  这些研讨人员表明,这种办法可能终究帮忙科学家们取得关于一系列发育妨碍的名贵见地。论文资深作者、卡罗林斯卡医学院分子体系生物学教授Sten Linnarsson说,“RNA速度具体显现了神经元和其他的细胞怎么在大脑发育和老练时取得它们的特定功用。咱们特别振奋的是,这种新办法有望帮忙提醒出大脑一般怎么发育,一起也为破解人类大脑发育妨碍(比方精神分裂症和自闭症)中发作的问题供给头绪