细胞生物学的里程碑！20万张细胞图像的数据库以理解我们的细胞构建模块

　　

   

   

艾伦研究所的一个分支——艾伦细胞科学研究所的研究小组通过处理数十万张高分辨率图像，对人类细胞的内部组织进行了数字描述——迄今为止，这是一个非常难以量化的生物学概念。通过这项工作，科学家们还捕捉到了细胞形状丰富变化的细节，即使是在相同条件下生长的基因相同的细胞。该团队在今天发表在《Nature》杂志上的一篇论文中描述了他们的工作。

“细胞的组织方式告诉我们它们的行为和身份，”艾伦细胞科学研究所副所长Susanne Rafelski博士说，她和高级科学家Matheus Viana博士一起领导了这项研究，“当我们都试图了解细胞在健康和疾病中的变化时，这个领域缺少的是一种严谨的方法来处理这种组织。我们还没有利用这些信息。”这项研究为生物学家以可测量、定量的方式理解不同类型细胞的组织提供了路线图。它还揭示了艾伦研究所团队研究的细胞的一些关键组织原理，这些细胞被称为人类诱导多能干细胞。

了解细胞在健康条件下如何自我组织——以及“正常”条件下所包含的各种变异——可以帮助科学家更好地理解疾病中出现的问题。参与这项研究的图像数据集、基因工程干细胞和代码都是公开的，供社区中的其他科学家使用。

“让细胞生物学看起来难以处理的部分原因是，每个细胞看起来都不同，即使它们是同一类型的细胞。艾伦研究所的这项研究表明，这种长期困扰该领域的可变性实际上是一个研究细胞组合规则的机会，”加州大学旧金山分校生物化学和生物物理学教授、艾伦细胞科学科学顾问委员会成员Wallace Marshall博士说。“这种方法几乎可以推广到任何细胞，我预计许多其他细胞也会采用相同的方法。”

计算细胞的梨形度  

在七年多前启动的一项工作中，艾伦研究所的团队首先构建了一组经过基因工程改造的干细胞，这些干细胞可以在荧光显微镜下照亮不同的内部结构。科学家们掌握了标记25个独立结构的细胞株，然后捕捉到了超过20万个不同细胞的高分辨率3D图像。

所有这些都是为了问一个看似简单的问题:我们的细胞是如何组织内部的?

事实证明，要得到答案真的很复杂。想象一下，你的办公室里有数百件不同的家具，所有的家具都需要易于接近，其中许多家具需要根据各自的任务自由移动或相互作用。现在想象一下，你的办公室是一个被一层薄膜包裹着的液体囊，而那数百件家具中的许多件甚至是更小的液体袋。这是室内设计的噩梦。

科学家们想知道:所有这些微小的细胞结构是如何相互排列的？比如，“结构A”总是在同一个地方，还是随机的?

研究小组在比较两个不同细胞的相同结构时遇到了挑战。尽管所研究的细胞在基因上是相同的，并在相同的实验室环境中培养，但它们的形状却有很大的不同。科学家们意识到，如果一个细胞很短，呈斑点状，另一个细胞很长，呈梨形，就不可能比较两个不同细胞中A结构的位置。所以他们在那些短粗的斑点和细长的梨上标注了数字。

通过计算分析，该团队开发了他们所谓的“形状空间”，客观地描述了每个干细胞的外部形状。这个形状空间包括八个不同维度的形状变化，比如高度、体积、伸长率，以及恰当描述的“梨形”和“豆形”。然后，科学家们可以比较梨和梨(或豆子和豆子)，观察所有形状相似的细胞内的细胞结构组织。

Viana说:“我们知道，在生物学中，形状和功能是相互关联的，了解细胞的形状对了解细胞的功能非常重要。我们提出了一个框架，可以让我们测量细胞的形状，当你这样做的时候，你可以找到形状相似的细胞，然后你可以查看这些细胞内部，看看所有东西是如何排列的。”

严格的组织  

当他们观察这25个突出显示的结构的位置时，将这些结构在形状相似的细胞组中进行比较，他们发现所有的细胞都以非常相似的方式开店。尽管细胞形状存在巨大差异，但它们的内部组织却惊人地一致。如果你观察一下高层办公大楼里成千上万的白领是如何摆放家具的，就好像每个人都把办公桌放在办公室的正中央，而把文件柜正好放在最左边的角落，不管办公室的大小或形状如何。现在假设你发现一间办公室，文件柜扔在地上，文件散落一地——这可能会告诉你关于那个特定办公室和它的主人的一些情况。

细胞也是如此。发现与正常状态的偏差可以为科学家提供重要的信息，了解细胞从静止到移动、准备分裂时如何变化，或者疾病在微观层面上出了什么问题。研究人员观察了他们数据集中的两种变化——位于细胞集落边缘的细胞，以及正在进行分裂以产生新的子细胞的细胞，这一过程被称为有丝分裂。在这两种状态下，科学家们能够发现与细胞不同环境或活动相关的内部组织的变化。

艾伦细胞科学研究所执行主任Ru Gunawardane博士说:“这项研究汇集了自研究所成立以来我们在艾伦细胞科学研究所所做的一切。我们从零开始构建了所有这些，包括测量和比较细胞组织方式的不同方面的指标。我真正感到兴奋的是，我们和社区中的其他人现在可以在此基础上提出我们以前从未问过的关于细胞生物学的问题。”

 

Integrated intracellular organization and its variations in human iPS cells