11月30日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院上海生科院（人口健康領(lǐng)域）馬普計(jì)算生物學(xué)伙伴研究所韓敬東研究組與中國(guó)科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所景乃禾研究組和清華大學(xué)沈沁研究組合作發(fā)表的論文“Inference of differentiation time for single cell transcriptomes using cell population reference data”。該研究通過開發(fā)計(jì)算工具包（iCpSc）用于整合單細(xì)胞和群體細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，來預(yù)測(cè)細(xì)胞分化過程中單細(xì)胞的分化時(shí)間和路徑，并通過基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析尋找重要調(diào)控因子和信號(hào)通路。
單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)作為一個(gè)強(qiáng)大的方法應(yīng)用于分析發(fā)育和重編程過程的細(xì)胞異質(zhì)性。分析細(xì)胞間異質(zhì)性的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)就是尋找未知的細(xì)胞狀態(tài)或者重構(gòu)細(xì)胞譜系的發(fā)育軌跡。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中可能會(huì)包含一些生物或非生物的干擾因子（如細(xì)胞周期），現(xiàn)有的計(jì)算生物學(xué)分析方法往往需要先根據(jù)分析人員的判斷去除這些因子。
然而，在很多情況下，細(xì)胞周期調(diào)控對(duì)發(fā)育和細(xì)胞分化起重要作用，比如G1和M期的長(zhǎng)短調(diào)控了神經(jīng)細(xì)胞命運(yùn)決定。研究表明，在小鼠胚胎發(fā)育中，神經(jīng)發(fā)育是一個(gè)分步調(diào)控的過程。雖然近年來的研究闡明了很多參與神經(jīng)命運(yùn)決定的分子和信號(hào)通路，然而，是否還有其他因子以及這些因子如何相互作用調(diào)控神經(jīng)命運(yùn)決定還尚未確定。
曾有研究表明，通過體外培養(yǎng)小鼠胚胎干細(xì)胞，神經(jīng)細(xì)胞可以分步被誘導(dǎo)產(chǎn)生，并且很好的模擬體內(nèi)神經(jīng)分化的過程。在本研究中，科研人員通過開發(fā)一種計(jì)算工具包（iCpSc）用于整合單細(xì)胞和群體細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，來預(yù)測(cè)細(xì)胞分化過程中單細(xì)胞的分化時(shí)間和路徑，通過在模擬數(shù)據(jù)集和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)集中測(cè)試表明了iCpSc的優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步檢驗(yàn)這個(gè)方法的有效性，研究人員采用研究小鼠神經(jīng)分化的體外誘導(dǎo)模型，首先在非常密集的時(shí)間點(diǎn)中選取了8個(gè)具有代表性的時(shí)間點(diǎn)，產(chǎn)生了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和相應(yīng)的群體細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，利用iCpSc預(yù)測(cè)每個(gè)單細(xì)胞的分化時(shí)間和路徑。之后，運(yùn)用相關(guān)分析得到分化相關(guān)基因（“timer” genes），并且發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期調(diào)控因子富集在其中。接下來，通過構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)找到了協(xié)調(diào)細(xì)胞周期和神經(jīng)細(xì)胞分化的關(guān)鍵調(diào)控基因。最后，通過對(duì)Fyn進(jìn)行CRISPR/Cas9基因敲除實(shí)驗(yàn)和小分子抑制劑實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了Fyn和M期在控制神經(jīng)細(xì)胞分化時(shí)間中的重要作用。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，中科院，以及科技部等項(xiàng)目的共同資助。
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