数据科学方法破解细胞运动密码

圣犹达儿童研究医院和威斯康星州医学院的科学家创建了一个数据科学框架，以更好地了解细胞如何在体内传播

研究人员分析了趋化因子及其相关的G蛋白偶联受体（GPCR），即控制细胞运动的蛋白质。他们发现，这两种蛋白质的结构化和无序区域内的特定位置决定了趋化因子和GPCR如何相互结合。科学家们利用这些信息人为地改变趋化因子GPCR结合偏好，并改变由此产生的细胞迁移

这种理解可能会改善疾病治疗，例如增强细胞疗法如何到达肿瘤部位，并提高对心脏和血管发育等健康过程的清晰度。研究结果发表在《细胞》杂志上

细胞迁移影响体内的许多过程，包括免疫细胞如何前往感染部位，大脑如何发育以及伤口如何修复。它也被疾病细胞利用，例如转移性癌症。虽然已知细胞运动是由两个蛋白质家族GPCR和趋化因子之间的相互作用引导的，但每个家族成员之间的巨大相似性给理解正确的配对如何形成和控制相关细胞的运动带来了挑战

研究人员开发了数据科学方法，以确定每种蛋白质控制其分子相互作用的确切部分

“我们发现细胞有一个优雅的系统，它利用结构和无序来控制细胞迁移，”资深合著者M.Madan Babu博士说，FRS，圣犹达数据科学高级副总裁和数据驱动发现卓越中心结构生物学系主任。“有了这种理解，我们现在可以合理地引入趋化因子结构的微小变化，最终以所需的方式改变细胞迁移。”

小而无序的区域为趋化因子GPCR对提供了秩序

科学家们通过数据挖掘蛋白质序列和结构信息揭示了趋化因子及其受体如何结合GPCR家族的选定成员。他们比较了所有与人类趋化因子结合的GPCR和所有趋化因子，然后比较了其他物种的类似趋化因子和GPCR。他们还分别在人群水平上研究了每种蛋白质，找到了各组之间保持不变和不同的地方

“通过我们的数据分析，我们发现趋化因子和GPCR如何相互选择的信息存储在高度非结构化、无序区域的小而离散的包中，”第一作者和合著者Andrew Kleist说，他是结构生物学系圣裘德数据驱动发现卓越中心的医学博士和哲学博士

“趋化因子和受体的这些小包装的混合导致了独特的相互作用，类似于控制细胞迁移的网站数据加密密钥。”

Kleist在共同通讯作者、威斯康星医学院生物化学教授Brian Volkman博士的实验室作为研究生开始了这项工作

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科学家们发现，这些蛋白质中的无序区域起着私钥的作用，而结构化区域起着公钥的作用。在每种蛋白质的高度结构化部分的更大背景下，趋化因子的无序区域与GPCR的结构化区域的相互作用为细胞提供了该趋化因子GPCR对的唯一化学标识符，就像验证一对公钥和私钥一样。该唯一标识符包含细胞对特定趋化因子GPCR结合作出适当反应的信息，并向更多趋化因子迁移

Babu说：“一旦我们了解了这些蛋白质是如何相互作用的，我们就证明了我们可以合理地使它们发生突变，使其具有不同的特性。”。研究人员改变了决定所选趋化因子选择性的区域，以改变其受体结合偏好。合著者、圣裘德外科医学博士Lindsay Talbot表明，科学家们可以改变T细胞（一种白细胞）的运动方式，降低通常停止运动的信号

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Kleist说：“现在我们已经证明了概念，我们的方法将指导对新药的探索和对现有细胞疗法的改进。”。“例如，有可能创造出更好地引导免疫细胞患癌症或帮助招募更多造血干细胞用于骨髓移植的分子。理论上，任何使用细胞运动的疗法都可以从应用这些原理中受益。”

为了使科学家和临床医生能够测试这一点，合作者在网上发布了他们的数据科学框架。该资源是将细胞运动操纵从概念推向患者现实的第一步

巴布说：“当人们想到身体时，我们认为每个细胞都会保持原位，但这是一种简单的观点。”。“根据组织的不同，细胞一直在移动，我们对这些系统的新理解为治疗开发开辟了新的途径。”