Nature Genetics:细胞重编程迎来革命性生物信息学工具
生物通/叶予 · 2016/01/22
Duke-NUS医学院、Bristol大学、Monash大学和RIKEN的研究团队开发了一个革命性的计算工具,能够准确预测将一种人类细胞转变为另一种类型所需的细胞因子。这项研究发表在一月十八日Nature Genetics杂志上,对细胞重编程和再生医学的进一步发展有重要意义。


Duke-NUS医学院、Bristol大学、Monash大学和RIKEN的研究团队开发了一个革命性的计算工具,能够准确预测将一种人类细胞转变为另一种类型所需的细胞因子。这项研究发表在一月十八日Nature Genetics杂志上,对细胞重编程和再生医学的进一步发展有重要意义。

我们知道,特定的细胞因子组合能将一种细胞重编程为另一种细胞。十年前,日本科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)通过这种方式,把皮肤成纤维细胞诱导成为多能干细胞(iPS细胞),并且因此获得了2012年的诺贝尔生理/医学奖。理论上,这些iPS细胞可以直接重编程为任何细胞类型(比如视网膜细胞),用于多种人类疾病的治疗。

然而,确定细胞转变所需的细胞因子并不容易。这是一个时间长、成本高的过程,需要进行大量的反复试验。正因如此,该步骤成为了细胞重编程领域的一个主要障碍。为了克服这一障碍,Duke-NUS的Dr Owen Rackham经过五年努力,开发了预测重编程因子的计算工具——Mogrify。据介绍,Mogrify能够为任何指定的细胞转变提供最佳的细胞因子组合。

研究人员用已发表的重编程研究进行测试,发现Mogrify能够正确预测研究中用到的细胞因子。为了进一步验证Mogrify的能力,他们还完全依照Mogrify的预测来转化人类细胞,这样的两次尝试均获得了成功。

“Mogrify就像一本‘世界地图’,帮我们探索人类细胞转化的新疆域,”Dr Rackham解释道。“它在临床上有很大的应用潜力,比如帮助人们把患者的‘缺陷’细胞重编程为‘功能性’健康细胞(不经过中间的iPS阶段),再将其重新植入患者体内。”

Duke-NUS的副教授Enrico Petretto强调,Mogrify完全是数据驱动的,随着更多数据的收集和输入,它的可靠性和准确度还在不断提高。“Mogrify是利用大数据和系统生物学的革命性技术,”Petretto说。现在,研究人员已经把Mogrify发布到网络上,以便其它研究者和科学家们使用。

随着生命科学研究进入大数据时代,生物信息学工具的重要性日益凸现,越来越多的强力工具被开发出来。2014年8月,美国研究者们通过两篇Cell文章为人们展示了强大算法CellNet,及其在干细胞工程学中的应用。CellNet通过网络生物学分析工程细胞中的基因调控网络,并将这一网络与体内真实细胞的数据进行比较和评估。这种工具可以为细胞和组织工程学提供“线路图”,确保这些细胞具有与体内真实细胞相当的良好性能。

2015年5月,荷兰Leiden大学的科学家们发表了名为KeyGenes的计算平台。该工具可以比对未成熟干细胞与人类胎儿细胞的基因表达,并由此判断这些干细胞的分化潜能。研究者只需通过基因活性分析,就可以预测细胞能发展成什么样的器官或组织。此外,KeyGenes还可以用来测试干细胞移植物的质量。这个平台日后还将整合表观遗传学数据,以阐明表观遗传学修饰在细胞分化中起到的作用。

对于大部分生物学研究者来说,生物信息学还是一个比较陌生的领域。传统教学方式主要针对的是基础的科学原理和实验方法,很少涉及计算机编程和数据统计。前不久,The Scientist杂志联系了几位科学程序员,介绍了他们所使用的工具,探讨了生物信息学菜鸟所需的一些训练。

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