干细胞先驱：助力单细胞RNA-seq的统计法

以精确的定时模式表达的基因，被称为振荡基因，在细胞分裂、昼夜节律和肢体形成这样的发育功能中，起着重要的作用。但是，因为我们不能对基因表达进行定时的观察，因此，这些基因在很大程度上是未被发现的。

最近，美国Morgridge研究所和威斯康星-麦迪逊大学的科学家们开发出一种算法，提供了一种新的方法，来识别振荡基因的动力学，并首次确定了这些早期发育力量的作用。

这项研究发表在八月二十四日的《Nature Methods》，描述了这种新的统计方法，称为“Oscope”，有助于在单细胞RNA测序实验中确定振荡基因。Oscope的关键是，检测来自非同步化群体的细胞，这些细胞处于不同的发育状态。

用传统的RNA测序技术来研究振荡基因，要求研究人员“选择”仅仅一个已知的振动系统，并对本系统执行同步化。这一步骤掩盖了其他任何系统的振荡信号。

本文共同作者、Morgridge研究所计算生物学家冷宁（音译，Ning Leng）说：“在这项研究中，我们研究了非同步化的单细胞数据，因此没有振荡系统受到干扰。这使我们能够发现未知的振荡信号。”

Oscope可识别独立组的循环基因，并捕获每一组的一个“基本周期”，从而提供了一种实用的方法，来分析发挥周期作用的不同类型的基因。这项技术可以为处于基本发育核心的基因，打开新的研究途径。

Oscope诞生于一项多学科的合作研究。为了解决这个问题，需要将UW-Madison生物统计学和医学信息学系Christina Kendziorski教授的统计学专业知识，与Morgridge研究所干细胞研究先驱James Thomson的干细胞优势结合起来。

冷宁和Morgridge研究所博士后Li-Fang Chu是这篇论文的共同作者。两者都是Thomson在Morgridge研究所再生生物学团队的成员。Oscope软件包可免费提供给科学家们，可访问这个网站：https://www.biostat.wisc.edu/~kendzior/OSCOPE/。

Chu说：“我们认为，这是了解振荡基因及其与发育过程之间的关系的第一步。最有趣的问题是，基因调控网络如何调节基因表达？这些信号如何以一种适时的方式协调，来执行一项发育任务？Thomson实验室的目标是，建立一个强大的系统，检测对于发育过程很重要的时间相关基因。”

研究最充分的振荡基因是与昼夜节律钟相关的，昼夜节律钟基于光照，并在24小时内严格调节着新陈代谢和细胞增殖。

Chu说，这对疾病也有深远影响，最值得注意的是癌症，在这种疾病中，正常的细胞分裂的时间被劫持，细胞增殖失控。Oscope技术可能识别遗传周期和疾病之间的其他关系。

单细胞RNA测序是获取基因表达快照的一种非常强大的工具，但是随着时间的推移，它就不那么容易跟踪一个细胞。Oscope采用高分辨率的快照数据，来识别可能随时间变化的不同基因群。

Chu说：“我们需要综合许多细胞之间的平均信号，以获得整体情况，我们也需要单细胞分辨率的技术，来比较两者，找出哪些信号可能代表真正的生物变量。这些数据分析是非常具有挑战性的，需要新的算法（如Oscope），来执行这些复杂的任务。”

注：James Thomson是美国发育生物学家，主要贡献包括1998年首次分离出人体胚胎干细胞，2007年成功诱导人体多能干细胞。美国威斯康星州麦迪逊市莫格里奇研究院再生生物学主任，威斯康辛大学医学与公共卫生学院细胞与再生生物学教授，加州大学圣塔芭芭拉分校分子细胞与发育生物学系教授。国际细胞动力学公司创始人兼首席科学家，该公司位于麦迪逊市，生产诱导人体多能干细胞用于药物研发和毒性测试。汤姆森还是美国科学院成员，曾获得许多荣誉。《时代》杂志因他在人体胚胎干细胞方面的贡献把他作为2001年美国医学封面人物，2008年又把他评为全球最有影响力的百人之一。2011年，与山中伸弥共同获得费萨尔国王国际奖和阿尔巴尼医学中心奖。

（转化医学网360zhyx.com）