24 6 月, 2021

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生物工程师正在开发一种算法来比较物种间的细胞-结果令人惊讶

研究人员已经创建了一种算法,可以从物种(包括鱼类,小鼠,扁虫和海绵)中识别出相似的细胞类型,这些物种已经分化了数亿年,并且可以帮助弥合我们对进化的理解上的空白。

细胞是生命的基石,它们存在于每一种生物中。 但是您认为您的细胞与鼠标有多相似? 鱼? 虫?

比较生命树中不同类型的细胞类型,可以帮助生物学家了解细胞类型是如何起源的,以及它们如何适应不同生命形式的功能需求。 近年来,这已成为进化生物学家越来越感兴趣的主题,因为新技术现在允许对所有生物中的所有细胞进行测序和鉴定。 斯坦福大学生物工程学助理教授王波解释说:“科学界掀起了一股热潮,将各种不同生物中的所有类型的细胞进行分类。”

为了应对这一机会,Wang的实验室开发了一种算法,可以跨进化距离连接相似的细胞类型。 他们的方法在2021年5月4日发布的一篇论文中有详细介绍,网址为 电子生活,旨在比较不同类型的单元格的类型。

在他们的研究中,研究小组使用了7种类型来比较21对不同的对,并能够鉴定出所有物种中发现的细胞类型以及它们的异同。

比较细胞类型

根据Wang实验室生物工程专业的研究生Alexander Tarashansky的说法,创建算法的想法是在Wang一天进入实验室并问他是否可以分析两种不同类型蠕虫的细胞类型数据集时提出的。进行了实验室研究。 同时。

Stanford Bio-X的论文主要作者和跨学科研究员Tarashansky说:“它们之间的差异如此明显,令我感到惊讶。”我们认为它们应该具有相似的细胞类型,但是当我们尝试使用标准品进行分析时技术,但由于它们是相同的,因此无法识别它们。”

他想知道这是否是技术问题,还是细胞类型差异太大而无法跨物种匹配。 然后Tarashansky开始研究该算法,以更好地匹配物种间的细胞类型。

塔拉尚斯基说:“假设我想将海绵比喻为人类。” “目前还不清楚哪个海绵基因与任何人类基因相对应,因为随着生物体的进化,这些基因会繁殖,变化并再次重复。现在,海绵中有一个基因可能与人类的许多基因有关。 ”

研究人员的定位方法没有像以前的数据匹配方法那样尝试寻找一对一的遗传匹配,而是将海绵中的单个基因与所有可能的相应人类基因进行了匹配。 然后,该算法将继续查看哪一个是正确的算法。

塔拉尚斯基说,试图只寻找单个基因对限制了过去一直在寻找细胞类型图谱的科学家。 “我认为这里的主要创新之处在于,为了进行深远的比较,我们考虑了几亿年来不断变化的功能。”

“我们如何使用不断发展的基因来识别在不同物种中也不断变化的同一类型的细胞?” 该论文的第一作者王说。 “进化是通过基因和有机特性来理解的,我认为我们现在正处于令人兴奋的转折点,即通过观察细胞的进化来弥合规模。”

填满生命之树

该团队使用作图方法发现了物种中的许多保守基因和细胞类型家族。

塔拉尚斯基说,这项研究的重点是当他们比较两种截然不同的蠕虫之间的干细胞时。

他说:“我们在干细胞组中发现了一对一的匹配,这一事实确实令人兴奋。” “我认为基本上,这为干细胞如何在寄生扁平虫中传播提供了许多令人振奋的新信息,这种蠕虫会感染全世界成千上万的人。”

研究小组的作图结果还表明,从非常简单的动物物种(如海绵)到更复杂的哺乳动物(如小鼠和人类),神经元和肌肉细胞的特性得到了强有力的保护。

王说:“这确实表明这些类型的细胞是在动物进化的早期就出现的。”

现在,该团队已经建立了细胞比较工具,研究人员可以继续收集各种物种的数据进行分析。 随着收集和比较来自更多物种的更多数据集,生物学家将能够追踪不同生物体中细胞类型的路径,并且识别新细胞类型的能力将得到改善。

塔拉申斯基说:“如果只有海绵,然后是蠕虫,并且失去了它们之间的一切,那么就很难知道海绵状细胞是如何进化的,或者它们的祖先是如何分化成海绵和蠕虫的。” “我们希望在生命之树上尽可能多地填充节点,以便我们能够促进这种进化分析并在物种间传递知识。”

参考文献:“映射整个后生动物的单细胞图集揭示了细胞类型的进化”,作者:亚历山大·J·塔拉山斯基,雅各布·M·摩泽尔,玛格丽塔·哈里顿,李彭江,德特列夫·阿伦特,斯蒂芬·R·夸克,王波,2021年5月4日, 电子生活
DOI:10.7554 / eLife.66747

斯坦福大学的其他合著者包括研究生玛格丽塔·哈里顿(Margarita Khariton),李炳扬(Bingyang Lee)和史蒂芬·克维克(Stephen Kwik),后者是生物工程学教授李·奥特森(Lee Otterson)兼应用物理学教授,也是Chan Zuckerberg Biohub的联合主席。 其他合著者来自欧洲分子生物学实验室和海德堡大学。 Wang还是Stanford Bio-X和Wu Cai神经科学研究所的成员。 Kwik是Bio-X,斯坦福心血管研究所,斯坦福癌症研究所和吴仔神经科学研究所的成员。

这项研究由Stanford Bio-X,贝克曼青年研究者奖和美国国立卫生研究院资助。 Wang和Kwik将作为这项工作的基础,这是由Wu Tsai Neuroscience Institute资助的Neuro-Omics Initiative的一部分。

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