华人博士一作Cell发文！开拓“细胞命运”猜测器

如果我们能“定制”细胞，会发生什么？

当人体须要某类细胞时，比如心脏涌现问题，就取些成纤维细胞，“定制”打造成心肌细胞来帮助心脏规复；当人体不须要某类细胞时，比如发生癌变，就勾引癌变细胞快速凋亡。

几位华人博士为这一设想的实现供应了新的工具。
他们开拓了一个细胞命运预测模型，能够预测细胞发育所要经历的过程和终极命运。
还能给出相应的发育方程，定量描述细胞命运的转变路径。

也便是说，如果想定制某一类细胞，须要哪些细胞作为原材料、须要什么条件、如何选择分解路径，这个模型都能见告你。

北京韶光2月1日，美国麻省理工学院教授Jonathan Weissman组博士后邱肖杰、匹兹堡大学博士生张衍为共同一作的研究在Cell（《细胞》）在线揭橥。

张衍、邱肖杰

探求生物学中的“万有引力”定律

作为17世纪自然科学最伟大的成果之一，万有引力定律揭示了天体运动的规律。
在天文不雅观测中，只要有一定的不雅观测资料，根据万有引力定律，就能打算出天体运动的轨道。
这为航天探索供应了坚实的理论根本。

而在微不雅观层面，当动物体内的胚胎干细胞分解成心肌细胞、造血细胞、骨髓细胞、脂肪细胞等时，或许也遵照着某个定律。
如果能找到这个定律，就像打算天体运动轨道一样，也能打算出单个细胞的分解路径。

2011年，在导师的“放养”式管理下，邱肖杰拥有大把的韶光去广泛阅读文献，这个过程中他萌生了上述想法。
那时的他很愉快，立即选取了两个基因的相互浸染进行数学建模，对体系分解进行了初步的函数表征。

“虽然当时的研究很不成熟，也没有揭橥在特殊好的期刊上，但这颗种子已经深深扎进我心里了。
”邱肖杰说。

后来，随着单细胞测序技能的涌现和发展，他意识到，这给细胞分解命运的研究带来了契机。

决定每个细胞独特功能的是细胞内生动的一大批特定基因，它们相互浸染构成了决定细胞分解命运的大型调控网络。
当有了所有细胞的基因组数据、有了大数据技能，全面剖析基因调控网络也就成为了可能。

2018年，单细胞数据剖析领域有一个主冲要破，有研究者提出利用RNA速率从固定细胞数据中预测细胞基因表达状态变革方向的方法。

这也给了邱肖杰很大的启示：我们能否再进一步，不仅实现细胞命运的预测，也给出相应的“方程式”和生物学阐明呢？

邱肖杰

用物理学方法办理生物学问题

一次有时的口试时，邱肖杰碰着了邢建华，即本篇研究的通讯作者之一、匹兹堡大学教授。

“肖杰很激情亲切地向我阐明他的想法，事实证明，他找对人了。
”邢建华见告《中国科学报》，“我们课题组一贯致力于用数学和物理的思维及手段办理生物学问题,尤其是认识并调控细胞形态分解或重组。
用数学方程描述基因网络是系统生物学的基本工具，个中一个寻衅是缺少大规模的定量数据，而这正是肖杰善于的。
我们一拍即合。
”

邢建华

落实到详细的研究中，想要把细胞、基因、相互浸染等生物学中的观点，抽象成数学表达，再放到动力学系统理论的框架下，找到能够拟合的函数，终极得出“细胞命运”方程，并不随意马虎。

后来，邱肖杰、张衍采取机器学习的方法，对十几个数据集进行了剖析，每个数据集中包含数千至数万个细胞不等，经由优化迭代，终极开拓出了名为dynamo（发动机）的算法模型。

“优化迭代中的每一步都不好走，由于没有成型的工具包，我们须要不断调试参数、代码，担保拟合效果。
同时，为了使这个工具好用，我们还要尽可能地减小内存、加快运行速率。
”张衍说。

张衍

对付大多数的机器学习方法来说，个中的过程都是“黑箱”，纵然能给出准确的预测结果，但结果是怎么得来的，很难解确阐明。

而在本项研究中，他们结合重构的向量场与系统生物学/动力学系统理论中的一些观点，使“黑箱”变成了“白箱”。
也便是说，dynamo不仅能预测细胞分解的终极命运，还能给出相应的生物学阐明，即由于在哪些关键基因的在哪些分解阶段的相互浸染才导致了细胞的终极分解。

随后的2000多个人造血干细胞分解的验证实验表明，将单细胞测序数据作为dynamo输入量，即可预测出其分解成神经细胞、红细胞、血液细胞等的动态图谱及分解韶光。
这与以往研究者利用动物实验进行细胞分解的结果完备吻合。

人造血干细胞分解预测动画

学科交叉产生的奇妙反应

谈及研究成功的“秘笈”，几位互助者不谋而合地提到了学科交叉。

这种学科交叉不仅表示在互助者有着不同的学术背景，还可以追溯到他们多年前的“不务正业”。

“研究生阶段，我花了很多韶光阅读文献，从中创造了自己真正感兴趣的方向，和我当时的方向并不一致，顶住了重重压力才得以连续研究。
”邱肖杰见告《中国科学报》。

而对付药学专业背景的张衍来说，把韶光花在数学、打算机的专业学习上，才是他最喜好的事情。

邢建华更是如此。
“作为物理化学背景出身的人，我希望为生物学研究注入新的视角。
我想，本项研究的最大贡献是能启示大家利用单细胞数据和物理思维，结合数据和理论去探求细胞动力学方程。
”

视角不同，当然会有争执，有很多次，这几位研究者辩论得面红耳赤，谁也不服谁。

可这正好也是碰撞的乐趣，化学反应中，不同的物质相遇，升温、变色乃至爆炸都是常事，可只要弄清楚性子、节制好剂量，不同物质间产生的相互浸染远比一种物质更加奇妙。

图文择要

论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.045

dynamo:

https://github.com/aristoteleo/dynamo-release