當(dāng)一個(gè)細(xì)胞變得與鄰近細(xì)胞不同的時(shí)候，皮膚、肌肉、肝臟或其他類型的組織中就會出現(xiàn)癌癥。雖然生物學(xué)家對于“發(fā)育過程中組織是如何形成的”這個(gè)問題已經(jīng)了解很多，但很少有人知道，在動物的整個(gè)生命周期中同一組織的兩個(gè)細(xì)胞是如何保持相同的。

zui近，美國馬里蘭大學(xué)（UMD）的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，一種命名為ERI-1的調(diào)節(jié)蛋白，有助于確保組織中的所有細(xì)胞保持相同。這項(xiàng)研究涉及到發(fā)育生物學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家之間的合作，后者通過機(jī)器學(xué)習(xí)分析貢獻(xiàn)了他們的專長。這一發(fā)現(xiàn)可以使生物學(xué)家更進(jìn)一步了解一些癌癥和其他與年齡有關(guān)的疾病。

這項(xiàng)研究是*次在整體動物（秀麗隱桿線蟲，Caenorhabditis elegans）中進(jìn)行的，而不是培養(yǎng)細(xì)胞，發(fā)表在2016年8月1日的《Journal of Cell Biology》雜志。研究人員的方法揭示了一種重要的機(jī)制，動物通過這一機(jī)制來保持一致的基因表達(dá)模式。該研究團(tuán)隊(duì)使用的機(jī)器學(xué)習(xí)軟件，對于快速和清楚地識別數(shù)據(jù)中的復(fù)雜模式，是*的。

本文資深作者、UMD細(xì)胞生物學(xué)和分子遺傳學(xué)系助理教授Antony Jose指出：“細(xì)胞可能看起來都一樣，而且行為相同，但為什么呢？例如，肝臟充滿了肝細(xì)胞，并沒有任何心臟細(xì)胞。要維持一個(gè)組織，需要發(fā)生太多的事情。這是一個(gè)顯而易見的基本問題?，F(xiàn)在，我們提出了一個(gè)答案，可有助于加深我們對于年齡相關(guān)疾病的理解。”

結(jié)果表明，重復(fù)DNA片段的長部分的讀取，在細(xì)胞與細(xì)胞之間有所不同。研究人員發(fā)現(xiàn)，在健康的組織中，ERI-1可通過確保每個(gè)細(xì)胞在同一水平表達(dá)它們的基因，來規(guī)范這些差異。當(dāng)研究人員在線蟲中關(guān)閉產(chǎn)生ERI-1的基因時(shí)，基因表達(dá)的異?；祀s出現(xiàn)在線蟲的腸道內(nèi)。

Jose說：“為了了解這些過程，我們需要在整個(gè)動物中測量單細(xì)胞的差異。我們必須知道，哪些細(xì)胞與哪些細(xì)胞相關(guān)，并同時(shí)測量組織內(nèi)所有細(xì)胞的各種屬性。從技術(shù)上講，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是非常困難的。但是如果你不能在整個(gè)動物的背景下，就很難充分地回答這些問題。”

為了實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜的分析，Jose和他的同事們形成了一種意想不到的合作。本文*作者Hai Le——Jose實(shí)驗(yàn)室的一名大學(xué)生，現(xiàn)在是約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一名學(xué)生，在2012年UMD的Bioscience Day會議上提交了一張海報(bào)。未來的合作者、UMD語言研究中心的Michael Bloodgood順便討論了Le的工作。這兩位研究人員很快就認(rèn)識到了機(jī)器學(xué)習(xí)促進(jìn)Le和Jose分析的潛力。

Jose說：“例如，語言學(xué)家使用機(jī)器學(xué)習(xí)來比較文本塊，以確定名詞和動詞，分析句子結(jié)構(gòu)，并確定平均字的長度。Hai和Michael認(rèn)識到，我們可以使用相同的技術(shù)來分析腸細(xì)胞中的基因表達(dá)。”

機(jī)器學(xué)習(xí)軟件可以揭示人類肉眼看不到的復(fù)雜模式。顧名思義，該軟件可以尋找特定的模式，也可以從經(jīng)驗(yàn)中“學(xué)習(xí)”，讓每一個(gè)后續(xù)的分析都變得更有效。使用這種方法，研究人員能夠快速進(jìn)行客觀的比較，使用其他方法這是不可能的。

研究人員選擇了線蟲，因?yàn)樗且环N簡單的生物，可以很容易地在細(xì)胞水平上進(jìn)行研究，同時(shí)它還活著，點(diǎn)擊閱讀更多以線蟲為模型的研究：Jose指出，他們的技術(shù)是廣泛適用的，并可以被修改成適用于其他基因和不同的組織。Jose說：“抗癌藥物的作用通常是在培養(yǎng)的細(xì)胞中檢測的。我們的研究表明，動物體外的細(xì)胞研究可能會錯(cuò)過很多東西。例如，培養(yǎng)的細(xì)胞可能在基因表達(dá)上顯示出差異，但是在一個(gè)完整的動物中卻被除去。我相信，我們的研究結(jié)果可能會讓我們對于‘如何在細(xì)胞培養(yǎng)條件下模仿一個(gè)完整的動物’的思維有所轉(zhuǎn)變。”

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