计算工具精确高效地绘制细胞分化图

了解细胞在人类发育过程中如何转化为特殊类型是生物学的一个核心挑战。这个被称为细胞分化的复杂过程是理解发育生物学和推进再生医学的关键。日本的一个研究小组开发了一种新的计算工具scEGOT，通过解决以前方法的局限性，并能够分析不同细胞类型的单细胞动力学，为这一过程提供了新的见解

该研究发表在BMC Bioinformatics上，重点研究了从人类多能干细胞诱导人类原始生殖细胞样细胞（hPGCLCs）的过程，这些细胞有可能成为卵子和精子等生殖细胞。scEGOT是基于熵高斯混合最优运输的单细胞轨迹推理框架的缩写，是一个综合框架，允许研究人员绘制动态细胞分化轨迹，识别关键过渡点，并揭示基因调节这些过程的作用

与现有方法不同，scEGOT提供了高可解释性（意味着它很容易理解）和高计算效率（意味着不需要那么多的计算资源），这使其成为单细胞数据分析的有用工具

研究细胞分化的主要挑战之一是捕捉中间细胞状态——过渡阶段，这对于理解细胞如何从一种状态进展到另一种状态至关重要。传统方法往往要么缺乏识别这些相位的精度，要么依赖于计算昂贵且不透明的方法，如神经网络

该项目的首席研究员Toshiaki Yachimura博士解释说：“该项目旨在通过提供一个数学严谨、生物学可解释的框架来克服这些局限性。”

研究人员应用scEGOT分析了hPGCLCs的诱导过程，揭示了所涉及基因和途径的新细节。他们鉴定了hPGCLC的祖细胞群，并确定了这些细胞从体细胞谱系分化的确切时刻，体细胞谱系是形成身体组织和器官的细胞

分析表明，涉及TFAP2A和NKX1-2的基因调控网络在hPGCLC祖细胞的鉴定中起着重要作用。它还揭示了MESP1和GATA6等基因对于驱动体细胞谱系的分化至关重要。这些发现为早期人类发育如何展开提供了更清晰的图景，并为再生医学应用提供了宝贵的线索

展望未来，研究人员计划扩展scEGOT的能力，以包括其他类型的单细胞数据，例如scATAC-seq，它研究表观遗传因素——影响基因活性的化学修饰。他们的目标是整合多种类型生物分子的数据集，即所谓的多组学数据，如转录组数据（转录的RNA）和表观基因组数据（DNA的化学修饰），以创建基因调控和细胞分化动力学的全面图景

这项研究强调了整合生物学和数学来解决基本科学问题的重要性。随着scEGOT等工具得到更广泛的应用，它们有望加速发育生物学及其他领域的发现，使我们更接近理解生命本身的机制 More information: Toshiaki Yachimura et al, scEGOT: single-cell trajectory inference framework based on entropic Gaussian mixture optimal transport, BMC Bioinformatics (2024). DOI: 10.1186/s12859-024-05988-z