为干细胞的内部分子过程构建数学模型

干细胞代表了真正的潜力：它们的DNA中包含了成为体内几乎全部细胞的潜力。几十年来，科学家们一直在努力将这种力量化为医疗技术——想想看用全新的细胞替换受损细胞——可以治疗甚至治愈从糖尿病到心脏病的所有疾病。

然而，所谓的 再生医学 仍处于早期阶段，很少有被证实有效的干细胞疗法。部分原因是科学家们仍然不完全了解干细胞如何转化，无论目标是血细胞还是心脏细胞。如果没有清楚地了解该过程，科学家就无法控制它。

挥之不去的问题之一是细胞的基因如何随着时间的推移而渐次表达，从DNA到RNA再到蛋白质。基因组不只是遵循其 DNA 中编码的指令；它通过改变染色质(包含 DNA 的紧密缠绕的束)的结构来响应来自环境的信号，这些信号告诉它表达什么以及何时表达。这些化学信号被称为表观基因组。

此外，要表达一个基因，它的DNA必须转录成RNA。这种RNA也叫转录组。

“该领域最大的问题是表观基因组或转录组会首先发生变化。”密歇根大学医学院计算医学和生物信息学系助理教授 Joshua Welch 博士说。他的团队在 Nature Biotechnology 上提出了一个数学模型，可用于描述转录组的变化。

直到最近，研究人员才能看到单个细胞中的基因表达。多亏了单细胞测序技术。但是仍然很难想象变化的时间节点，因为实际测量会破坏细胞。

“为了解决这个问题，我们开发了一种基于基础物理学模型的方法，将细胞视为在空间中移动的质量，我们试图估计它们的速度。”

该模型被称为 MultiVelo，可预测细胞正在经历的分子变化的方向和速度。

“我们的模型可以告诉我们哪些事情首先发生了变化——表观基因组或基因表达——以及第一个过程引发第二个需要多长时间。”

他们使用来自大脑、血液和皮肤的四种干细胞来验证模型，并确定了表观基因组和转录组可能不同步的两种方式。该技术为所谓的细胞图谱提供了一个额外的、关键的洞察视角。这些图谱被用于单细胞测序开发，以可视化不同身体系统中的各种细胞类型和基因表达。

一旦掌握变化时机，离引导干细胞的分化以用于临床就更近了一步。

https://phys.org/news/2022-10-mathematical-closer-effective-stem-cell.html