从分解细胞分化动力学到细胞类型和多能性景观

时间：2022年8月16日

来源：National Science Review

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在《国家科学评论》发表的一篇论文中，一个科学家研究团队提出了一种考虑细胞出生和死亡的细胞分化动力学构建能量景观的理论和相关算法。本研究中的细胞类型和多能性景观有助于研究人员了解分化过程中的动力学行为。

An illustration of the energy landscape decomposition (ELD) framework. — 图:(A)基因调控网络(GRN)。(B)细胞出生率和死亡率R(x)。(C)能量景观分解(ELD)理论。(D)动态流量??b(x)与出生死亡率R(x)的组合。(E-G)单元型图U(x)、多能型图V(x)和旋度部分项f(x)。

在多细胞生物中，细胞从单一的多能/干细胞发展，并在增殖过程中分化成不同的细胞类型。基因调控网络(GRN)在这一过程中起着重要作用。为了理解细胞分化，C.H. Waddington在20世纪60年代提出了一个表观遗传学景观的比喻，认为细胞分化就像一个被GRN控制的球从山上滚下来。

由于不同基因之间的相互作用是复杂的和高度非线性的，能量景观理论利用非平衡势来描述带噪声的GRN系统的稳态分布，并构建了一个易于描述分化过程的近似梯度系统。构建生物系统的能源景观主要有两种方法。一种是基于数据的，包括种群平衡分析(PBA)和分化动态景观(LDD)。另一种是基于模型的，包括王的景观理论和准势理论。

发表在国家科学评论，来自中国科学院、北京大学、东京大学和复旦大学的科学家提出了一种新的考虑细胞出生和死亡的能量景观分解(ELD)理论。ELD将细胞分化动力学分解为两个重要的能量景观和一个卷曲部分项。细胞型景观U(x)可以通过其亚稳态来描述不同的细胞类型，而多能性图V(x)可以用其数值表示多能性/干性，用其负梯度表示分化方向。给出了高维系统进行分解的可行数值方法和平均场近似。在漂移扩散过程、2基因命运决定系统和t细胞分化过程中的成功应用验证了ELD理论和方法的有效性。

这一关于潜在能量景观和PBA的能量景观统一理论可以有效地表征细胞系统的动力学行为，本研究提出的ELD可以帮助理解细胞增殖和死亡的系统，而不仅仅是纯反应。这种动态分析工具也可以应用于各种类似的生物系统。