基因表达的噪音如何影响细胞命运? 学术资讯

VarID根据基因表达谱的相似性将细胞连接起来，并在局部相似细胞群中量化基因表达的变异性（或噪音）。

近日，德国马克斯•普朗克研究所的Dominic Grün研究员提出了一种基于单细胞数据量化必需基因表达变异性的方法。这种名为VarID的方法可以在非常相似或相关的细胞状态间测量基因表达的噪音，帮助研究人员更好地了解生物噪音对细胞发育调节，甚至是细胞分化的必要程度。相关论文发表在《自然•方法》杂志上。

细胞是生命的基石，为了更深入地了解不同的细胞类型及其分子过程，科学家们会使用单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术来测量单个细胞中活跃基因产生的mRNA分子数量。就像指纹一样，在一个特定的细胞中，每个基因的mRNA分子数量决定了细胞的身份以及细胞之间的关系。

“很多疾病，比如癌症，就是因为细胞没有完全发育成熟，仍处于干细胞的前期阶段，不受控制地扩散。我们想要了解当发育以这种方式受到干扰时，细胞内会发生什么。因此，我们研发了处理和分析单细胞数据的独特算法。”研究人员表示。

在细胞的发育过程中，必需基因，例如调节基因开关的转录因子，往往只有微弱的表达，有时在同一类型的细胞中还具有高度的变异性，科学家们称这种现象为“生物噪音”，因此，很难再数据中检测到这些基因表达的差异。此外，目前可用的分析方法几乎完全集中于量化并解释单个细胞内的基因表达水平。但是，在细胞分化和细胞状态转变过程中基因表达噪音的生物学意义还没有得到深入的研究。

本研究中的VarID，可以量化非常相似或相关的细胞状态间的基因表达噪音，其核心是Dominic Grun开发的一种算法，该算法从单细胞RNA测序数据中量化了基因表达变异性的动态变化。在不同的细胞类型或细胞状态的复杂混合物中，VarID描述了具有差异基因表达可变性的邻近区域。重要的是，这种方法还能揭示与细胞状态转变相关的微弱而嘈杂的转录因子的活性。

通过VarID，研究人员就有可能探索在干细胞向成熟细胞类型分化过程中基因表达噪声的动态变化，并研究生物噪音对调控细胞发育、甚至是细胞分化的必要程度。在针对小鼠血细胞发育的研究中，研究人员利用VarID追踪了小鼠血细胞发育所必需的转录因子的活性。“数据显示，已知在小鼠骨髓成熟血细胞中表达的重要转录因子在血液干细胞中的表达量很低且具有高度变异性。我们认为这些基因网络的波动，也就是这些基因的噪音，可以触发血液干细胞的分化。” Dominic Grun说。

Dominic Grun确信，基因表达噪音是决定细胞命运的关键部分。“VarID为阐明基因表达噪音在干细胞分化过程中的作用打开了一扇门。既然我们现在能够解读干细胞分化的噪音，接下来我们希望能够发现这个过程是如何控制的，以便更好地理解噪音如何调节细胞命运决定。”

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编译：花花

审稿：alone

责编：张梦

期刊来源：《自然•方法》

期刊编号： 1548-7091

原文链接：

https://www.mpg.de/14146716/1118-immu-110988-how-gene-expression-noise-shapes-cell-fate