VarID根據基因表達譜的相似性將細胞連接起來，並在局部相似細胞群中量化基因表達的變異性（或噪音）。
近日，德國馬克斯普朗克研究所的Dominic Grün研究員提出了一種基於單細胞數據量化必需基因表達變異性的方法。這種名為VarID的方法可以在非常相似或相關的細胞狀態間測量基因表達的噪音，幫助研究人員更好地了解生物噪音對細胞發育調節，甚至是細胞分化的必要程度。相關論文發表在《自然方法》雜誌上。
細胞是生命的基石，為了更深入地了解不同的細胞類型及其分子過程，科學家們會使用單細胞RNA測序（scRNA-seq）技術來測量單個細胞中活躍基因產生的mRNA分子數量。就像指紋一樣，在一個特定的細胞中，每個基因的mRNA分子數量決定了細胞的身份以及細胞之間的關係。
「很多疾病，比如癌症，就是因為細胞沒有完全發育成熟，仍處於幹細胞的前期階段，不受控制地擴散。我們想要了解當發育以這種方式受到幹擾時，細胞內會發生什麼。因此，我們研發了處理和分析單細胞數據的獨特算法。」研究人員表示。
在細胞的發育過程中，必需基因，例如調節基因開關的轉錄因子，往往只有微弱的表達，有時在同一類型的細胞中還具有高度的變異性，科學家們稱這種現象為「生物噪音」，因此，很難再數據中檢測到這些基因表達的差異。此外，目前可用的分析方法幾乎完全集中於量化並解釋單個細胞內的基因表達水平。但是，在細胞分化和細胞狀態轉變過程中基因表達噪音的生物學意義還沒有得到深入的研究。
本研究中的VarID，可以量化非常相似或相關的細胞狀態間的基因表達噪音，其核心是Dominic Grun開發的一種算法，該算法從單細胞RNA測序數據中量化了基因表達變異性的動態變化。在不同的細胞類型或細胞狀態的複雜混合物中，VarID描述了具有差異基因表達可變性的鄰近區域。重要的是，這種方法還能揭示與細胞狀態轉變相關的微弱而嘈雜的轉錄因子的活性。
通過VarID，研究人員就有可能探索在幹細胞向成熟細胞類型分化過程中基因表達噪聲的動態變化，並研究生物噪音對調控細胞發育、甚至是細胞分化的必要程度。在針對小鼠血細胞發育的研究中，研究人員利用VarID追蹤了小鼠血細胞發育所必需的轉錄因子的活性。「數據顯示，已知在小鼠骨髓成熟血細胞中表達的重要轉錄因子在血液幹細胞中的表達量很低且具有高度變異性。我們認為這些基因網絡的波動，也就是這些基因的噪音，可以觸發血液幹細胞的分化。」 Dominic Grun說。
Dominic Grun確信，基因表達噪音是決定細胞命運的關鍵部分。「VarID為闡明基因表達噪音在幹細胞分化過程中的作用打開了一扇門。既然我們現在能夠解讀幹細胞分化的噪音，接下來我們希望能夠發現這個過程是如何控制的，以便更好地理解噪音如何調節細胞命運決定。」
科界原創
編譯：花花
審稿：alone
責編：張夢
期刊來源： 《自然方法》
期刊編號： 1548-7091
原文連結：
https://www.mpg.de/14146716/1118-immu-110988-how-gene-expression-noise-shapes-cell-fate
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