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干細胞先驅:助力單細胞RNA-seq的統計法

日期:2015-08-27 08:52:28

 以精確的定時模式表達的基因,被稱為振蕩基因,在細胞分裂、晝夜節律和肢體形成這樣的發育功能中,起著重要的作用。但是,因為我們不能對基因表達進行定時的觀察,因此,這些基因在很大程度上是未被發現的。

 

最近,美國Morgridge研究所和威斯康星-麥迪遜大學的科學家們開發出一種算法,提供了一種新的方法,來識別振蕩基因的動力學,并首次確定了這些早期發育力量的作用。

 

這項研究發表在八月二十四日的《Nature Methods》,描述了這種新的統計方法,稱為“Oscope”,有助于在單細胞RNA測序實驗中確定振蕩基因。Oscope的關鍵是,檢測來自非同步化群體的細胞,這些細胞處于不同的發育狀態。

 

用傳統的RNA測序技術來研究振蕩基因,要求研究人員“選擇”僅僅一個已知的振動系統,并對本系統執行同步化。這一步驟掩蓋了其他任何系統的振蕩信號。

 

本文共同作者、Morgridge研究所計算生物學家冷寧(音譯,Ning Leng)說:“在這項研究中,我們研究了非同步化的單細胞數據,因此沒有振蕩系統受到干擾。這使我們能夠發現未知的振蕩信號。”

 

Oscope可識別獨立組的循環基因,并捕獲每一組的一個“基本周期”,從而提供了一種實用的方法,來分析發揮周期作用的不同類型的基因。這項技術可以為處于基本發育核心的基因,打開新的研究途徑。

 

Oscope誕生于一項多學科的合作研究。為了解決這個問題,需要將UW-Madison生物統計學和醫學信息學系Christina Kendziorski教授的統計學專業知識,與Morgridge研究所干細胞研究先驅James Thomson的干細胞優勢結合起來。

 

Chu說:“我們認為,這是了解振蕩基因及其與發育過程之間的關系的第一步。最有趣的問題是,基因調控網絡如何調節基因表達?這些信號如何以一種適時的方式協調,來執行一項發育任務?Thomson實驗室的目標是,建立一個強大的系統,檢測對于發育過程很重要的時間相關基因。”

 

研究最充分的振蕩基因是與晝夜節律鐘相關的,晝夜節律鐘基于光照,并在24小時內嚴格調節著新陳代謝和細胞增殖。

 

Chu說,這對疾病也有深遠影響,最值得注意的是癌癥,在這種疾病中,正常的細胞分裂的時間被劫持,細胞增殖失控。Oscope技術可能識別遺傳周期和疾病之間的其他關系。

 

單細胞RNA測序是獲取基因表達快照的一種非常強大的工具,但是隨著時間的推移,它就不那么容易跟蹤一個細胞。Oscope采用高分辨率的快照數據,來識別可能隨時間變化的不同基因群。

 

Chu說:“我們需要綜合許多細胞之間的平均信號,以獲得整體情況,我們也需要單細胞分辨率的技術,來比較兩者,找出哪些信號可能代表真正的生物變量。這些數據分析是非常具有挑戰性的,需要新的算法(如Oscope),來執行這些復雜的任務。”

 


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