近日，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計計算課題組與武漢大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院合作，利用數(shù)學(xué)建模和數(shù)值計算理論研究了單細(xì)胞水平下芽殖酵母細(xì)胞命運抉擇分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的精確性問題，相關(guān)成果近日發(fā)表在Scientific Reports雜志上。
細(xì)胞命運抉擇在單細(xì)胞和多細(xì)胞生物體的增殖、分化等生命過程中扮演著十分重要的作用，因此研究細(xì)胞命運抉擇的分子調(diào)控機制是當(dāng)前生命科學(xué)的一個前沿交叉熱點。數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)分析作為定量生物學(xué)的重要工具，在驗證生物學(xué)實驗以及給出理論預(yù)測方面發(fā)揮著越來越顯著的作用。然而早期研究細(xì)胞命運抉擇分子調(diào)控動力學(xué)都是基于確定性的數(shù)學(xué)模型，忽略了單細(xì)胞水平下各種內(nèi)外因素導(dǎo)致的隨機性�？紤]到細(xì)胞尺寸非常小（酵母細(xì)胞體積為30 fL），mRNA豐度很低（每個基因平均轉(zhuǎn)錄的mRNA不足1個），調(diào)控蛋白濃度也往往只在 nM數(shù)量級，因此隨機漲落不可避免，探討細(xì)胞命運抉擇的隨機動力學(xué)和量化細(xì)胞命運抉擇的不確定性具有很好的理論和應(yīng)用價值。
基于郎之萬方程組，易鳴副研究員等首先對隨機環(huán)境下細(xì)胞周期和細(xì)胞交配兩種命運切換相關(guān)的核心蛋白調(diào)控體系建立了數(shù)學(xué)模型，通過wild type細(xì)胞的實驗數(shù)據(jù)以及reentry實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的有效性。進一步，基于物理勢能的概念和沖量的思想將細(xì)胞命運抉擇精確性問題直觀化和定量化，詳細(xì)分析了各種隨機漲落情形下細(xì)胞如何在兩個命運之間進行正確選擇。研究結(jié)果表明：噪聲不一定必然破壞命運抉擇的精確性，當(dāng)內(nèi)噪聲和外噪聲滿足一定的近似線性關(guān)系的時候，這種復(fù)雜的隨機性發(fā)揮著積極作用，確保了高精度的命運抉擇，最后數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析揭示該理論模型得到的最佳隨機環(huán)境與真實的內(nèi)外部噪聲水平定量匹配。該工作有利于提高人們對于單細(xì)胞隨機條件下生物分子調(diào)控機制的理解，豐富了人們對于細(xì)胞命運抉擇精確性的認(rèn)識。
這是該小組在定量生物計算方面取得的又一研究進展，在此前的工作中，他們對芽殖酵母細(xì)胞命運抉擇機制進行了定量研究（Biophysical Journal,104,2282-2294,2013），對細(xì)胞擁擠環(huán)境下MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的生化反應(yīng)規(guī)律和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)動力學(xué)進行了研究（Biophysical Journal,106,1215-1226,2014））。這些工作得到了國家基金委重大研究計劃培育項目和面上項目的資助。
武漢物數(shù)所細(xì)胞命運抉擇隨機調(diào)控機制獲初步進展
