6月17日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊National Science Review在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳洛南研究組與北京大學(xué)數(shù)學(xué)院李鐵軍教授、東京大學(xué)Aihara教授團(tuán)隊(duì)合作的最新研究成果 “Energy landscape decomposition for cell differentiation with proliferation effect” ，提出了“細(xì)胞分化的勢(shì)能景觀分解理論和全新方法”：始于基因、成于調(diào)控、終于類型。細(xì)胞分化過程形成了形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能各異的細(xì)胞類型，并造就了生物圈中豐富多彩的多細(xì)胞生物群體。如何根據(jù)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò) (Gene Regulatory Network, GRN)推斷細(xì)胞分化過程？最近在線發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》 （National Science Review， NSR）的研究工作利用動(dòng)力學(xué)分析工具和數(shù)值計(jì)算手段，給出了一種直觀展現(xiàn)分化過程中細(xì)胞類型和細(xì)胞干性的方法。
一般來(lái)說(shuō)，GRN中的基因調(diào)控關(guān)系是高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而勢(shì)能景觀理論可以有效地將其近似為較為直觀的梯度系統(tǒng)。文章在考慮細(xì)胞生滅速率的情況下，提出了勢(shì)能景觀的分解理論。該理論表明，考慮生滅項(xiàng)的情況下系統(tǒng)可以分解為兩個(gè)勢(shì)能項(xiàng)和一個(gè)非梯度項(xiàng)。其中細(xì)胞類型勢(shì)能景觀 U(x) 使用不同的亞穩(wěn)態(tài)代表了不同的細(xì)胞類型；多潛能性勢(shì)能景觀 V(x) 的數(shù)值大小體現(xiàn)了相應(yīng)狀態(tài)細(xì)胞的干性，并由負(fù)梯度方向揭示了細(xì)胞分化的總體方向（圖1）。
此外，針對(duì)低維模型和高維模型的不同特點(diǎn)，文章提出了對(duì)應(yīng)的勢(shì)能景觀分解算法。低維模型使用了流線擴(kuò)散法 (stream-line diffusion method)，而高維模型需要對(duì)加權(quán)軌道進(jìn)行平均場(chǎng)近似 (mean-field approximation)。理論和相應(yīng)算法在對(duì)流擴(kuò)散過程、兩基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、T 細(xì)胞分化過程（圖2）等系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證和應(yīng)用。這套理論將為細(xì)胞分化過程及各種復(fù)雜生物過程的建模、勢(shì)能景觀理論的發(fā)展、以及同類型的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)分析，提供有效的數(shù)學(xué)工具和計(jì)算方法，并具有廣泛的拓展和應(yīng)用前景。
分子細(xì)胞卓越中心陳洛南研究員、北京大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院李鐵軍教授和東京大學(xué)合原一幸教授為論文共同通訊作者，復(fù)旦大學(xué)及東京大學(xué)史際帆博士為論文第一作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)(B類)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的經(jīng)費(fèi)支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac116
圖 1： 根據(jù)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（GRN）和細(xì)胞生滅率R進(jìn)行勢(shì)能景觀分解，構(gòu)造細(xì)胞類型勢(shì)能景觀U(x) 和細(xì)胞多潛能性勢(shì)能景觀 V(x)。
圖 2： T細(xì)胞分化過程的勢(shì)能景觀分解。(A) T細(xì)胞分化過程中的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。(B) 降維到2維下的細(xì)胞類型勢(shì)能景觀 U，由上至下四個(gè)勢(shì)阱依次為 ETP/DN1, DN2a, DN2b, DN3 四種細(xì)胞狀態(tài)。(C) 降維到2維下的多潛能性勢(shì)能景觀 V，數(shù)值代表了不同狀態(tài)下的細(xì)胞干性，也揭示了細(xì)胞由上而下的分化方向。
