干细胞先驱:助力单细胞RNA-seq的统计法

【字体: 时间:2015年08月27日 来源:生物通

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  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。

  

生物通报道: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。

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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。延伸阅读:解读单细胞RNA-seq技术

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。”

(生物通:王英)

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。

生物通推荐原文:
Oscope identifies oscillatory genes in unsynchronized single-cell RNA-seq experiments, Nature Methods (2015) DOI: 10.1038/nmeth.3549


 

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