《Nature》“炸开”一个细胞,发现至少一半我们未知的东西

【字体: 时间:2021年11月25日 来源:Nature

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  基于人工智能的技术揭示了以前未知的细胞成分,可能为人类发展和疾病提供新的线索。

  
   

Multi-Scale Integrated Cell (MuSIC)    

加州大学圣地亚哥分校的研究人员介绍了多尺度集成细胞(MuSIC),一种结合了显微镜、生物化学和人工智能的技术,揭示了以前未知的细胞成分,可能为人类发展和疾病提供新的线索。(艺术家的概念呈现。)

图来源:加州大学圣地亚哥分校健康科学学院

大多数人类疾病都可以追溯到细胞的某些部分发生了故障——例如,肿瘤能够生长是因为基因没有准确地转化为特定的蛋白质,或者新陈代谢疾病产生是因为线粒体不能正常启动。但要了解疾病中细胞的哪些部分可能出错,科学家首先需要有一个完整的部分列表。

通过将显微镜、生物化学技术和人工智能相结合,加州大学圣地亚哥分校医学院的研究人员及其合作者在对人类细胞的理解上取得了他们认为可能是重大飞跃的进展。

这项被称为多尺度集成细胞(MuSIC)的技术于2021年11月24日发表在《Nature》杂志上。

“如果你想象一个细胞,你可能会在你的细胞生物学教科书中描绘出有线粒体、内质网和细胞核的彩色图表。但这就是全部吗?当然不是,”加州大学圣地亚哥分校医学院和摩尔斯癌症中心教授Trey Ideker博士说。“科学家们早就意识到,我们不知道的东西比我们知道的要多,但现在我们终于有了一种更深层次的探索方法。”

艾德克和瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院的Emma Lundberg博士以及斯坦福大学共同领导了这项研究。

在初步研究中,MuSIC揭示了人类肾脏细胞系中大约70种成分,其中一半以前从未见过。在一个例子中,研究人员发现一组蛋白质形成了一个陌生的结构。通过与加州大学圣地亚哥分校的同事Gene Yeo博士的合作,他们最终确定了这种结构是一种新的结合RNA的蛋白质复合物。这种复合物可能与剪接有关,剪接是一种重要的细胞活动,它能使基因转化为蛋白质,并有助于确定哪些基因在什么时候被激活。

研究细胞内部——以及在细胞内发现的许多蛋白质——通常使用两种技术之一:显微镜成像或生物物理关联。利用成像技术,研究人员将不同颜色的荧光标记添加到感兴趣的蛋白质上,并在显微镜的视野内跟踪它们的运动和关联。为了研究生物物理上的关联,研究人员可能会使用一种特定于蛋白质的抗体将其从细胞中拉出来,然后看看还有什么东西附着在它上面。

多年来,这个团队一直对绘制细胞的内部工作原理很感兴趣。MuSIC的不同之处在于使用深度学习直接从细胞显微镜图像中绘制细胞。

“这些技术的结合是独特的和强大的,因为这是第一次在非常不同的尺度上的测量被聚集在一起,”研究的第一作者Yue Qin说,他是艾德克实验室的生物信息学和系统生物学研究生。

通过显微镜,科学家可以看到一微米以下的物体,这大约是一些细胞器(如线粒体)的大小。更小的元素,比如单个蛋白质和蛋白质复合物,通过显微镜是看不到的。生物化学技术,从一个单一的蛋白质开始,让科学家可以把范围缩小到纳米尺度。(一纳米是一米的十亿分之一,即1/1000微米。)

“但你如何跨越纳米-微米尺度的差距?”长期以来,这一直是生物科学的一大障碍,”Ideker说,他也是加州大学癌症细胞图谱计划和加州大学圣地亚哥计算生物学和生物信息学中心的创始人。“事实证明,人工智能可以做到这一点——查看来自多个来源的数据,并要求系统将其组装成一个细胞模型。”

该团队训练了MuSIC人工智能平台来查看所有数据并构建细胞模型。系统还没有像教科书图表那样将细胞内容映射到特定的位置,部分原因是它们的位置不一定是固定的。相反,组件位置是可变的,并根据细胞类型和情况而变化。

Ideker指出,这是一项测试音乐的初步研究。他们只研究了661种蛋白质和一种细胞类型。

Ideker说:“下一步很明显,就是把整个人类细胞炸开,然后转移到不同的细胞类型,人和物种。最终,通过比较健康细胞和患病细胞之间的差异,我们可能能够更好地理解许多疾病的分子基础。”

10.1038/s41586-021-04115-9

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