包含200,000张图像的细胞数据库产生了理解细胞的新数学框架

艾伦研究所下属的艾伦细胞科学研究所的团队利用数十万张高分辨率图像，对人体细胞的内部组织进行了统计——迄今为止，这一生物学概念已被证明异常难以量化.

通过这项工作，科学家们还捕获了有关细胞形状丰富变化的细节，即使是在相同条件下生长的基因相同的细胞中也是如此。该团队在今天(1月4日)发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了他们的工作。

“细胞的组织方式告诉我们一些关于它们的行为和身份的信息，”艾伦细胞科学研究所副所长SusanneRafelski博士说，她与高级科学家MatheusViana博士一起领导了这项研究。“当我们都试图了解细胞如何在健康和疾病中发生变化时，该领域缺少的是处理此类组织的严格方法。我们尚未利用这些信息。”

Rafelski说，这项研究为生物学家提供了一个路线图，以一种可测量的、定量的方式了解不同种类细胞的组织。它还揭示了艾伦研究所团队研究的细胞的一些关键组织原理，这些细胞被称为人类诱导多能干细胞。

了解细胞在健康条件下如何自我组织——以及“正常”条件下包含的全部变异性——可以帮助科学家更好地了解疾病中出了什么问题。进入这项研究的图像数据集、基因工程干细胞和代码都是公开的，供社区中的其他科学家使用。

“使细胞生物学看起来难以处理的部分原因是每个细胞看起来都不一样，即使它们是同一类型的细胞。艾伦研究所的这项研究表明，长期困扰该领域的这种相同变异性实际上是，这是一个研究细胞组合规则的机会，”加州大学旧金山分校生物化学和生物物理学教授、艾伦细胞科学研究所科学顾问委员会成员WallaceMarshall博士说木板。“这种方法几乎可以推广到任何细胞，我希望许多其他细胞也会采用相同的方法。”

计算我们细胞的梨形度

在七年多前启动的一系列工作中，艾伦研究所团队首先建立了一组干细胞，这些干细胞经过基因工程改造，可以在荧光显微镜下照亮不同的内部结构。有了标记25个独立结构的细胞系，科学家们随后捕获了超过200,000个不同细胞的高分辨率3D图像。

所有这一切都是为了提出一个看似简单的问题：我们的细胞如何组织内部结构?

事实证明，要找到答案真的很复杂。想象一下，您的办公室里有数百件不同的家具，所有这些家具都需要随时取用，而且其中许多家具需要根据任务自由移动或互动。现在想象你的办公室是一个被薄膜包围的液体袋，而那数百件家具中的许多都是更小的液体袋。谈论室内设计的噩梦。

科学家们想知道：所有这些微小的细胞结构相互之间是如何排列的?“结构A”总是在同一个地方，还是随机的?

该团队遇到了比较两个不同细胞之间相同结构的挑战。尽管所研究的细胞在基因上是相同的，并且在相同的实验室环境中饲养，但它们的形状却有很大差异。科学家们意识到，如果一个细胞短而多泡，而另一个细胞长而梨形，则不可能比较结构A在两个不同细胞中的位置。因此，他们在那些粗短的斑点和细长的梨上标上了数字。

使用计算分析，该团队开发了他们所谓的“形状空间”，客观地描述了每个干细胞的外部形状。该形状空间包括八个不同维度的形状变化，例如高度、体积、伸长率，以及恰当描述的“梨形”和“豆形”。然后，科学家们可以比较苹果与苹果(或豆与豆)，观察所有形状相似的细胞内部的细胞结构组织。

“我们知道在生物学中，形状和功能是相互关联的，了解细胞形状对于了解细胞的功能很重要，”Viana说。“我们提出了一个框架，可以让我们测量细胞的形状，一旦你这样做，你就可以找到形状相似的细胞，然后你可以查看这些细胞的内部，看看一切是如何排列的。”

组织严密

当他们查看25个突出显示的结构的位置，比较形状相似的细胞组中的这些结构时，他们发现所有细胞都以非常相似的方式开店。尽管细胞形状存在巨大差异，但它们的内部组织却惊人地一致。

如果你正在观察成千上万的白领工人如何在高层办公楼中布置他们的家具，就好像每个工人都将他们的办公桌恰好放在他们办公室的中间，而他们的文件柜恰好放在最左边的角落，无论办公室的大小或形状如何。现在假设您发现一间办公室，文件柜扔在地上，文件散落一地——这可能会告诉您有关该特定办公室及其占用者的一些信息。

细胞也是如此。发现与正常状态的偏差可以为科学家提供重要信息，了解细胞在从静止状态转变为活动状态时如何变化、准备分裂，或者在疾病的微观水平上出了什么问题。研究人员观察了他们数据集中的两种变化——细胞集落边缘的细胞，以及正在分裂以产生新子细胞的细胞，这一过程称为有丝分裂。在这两种状态下，科学家们能够发现与细胞不同环境或活动相关的内部组织变化。

“这项研究汇集了艾伦细胞科学研究所自成立以来我们所做的一切，”艾伦细胞科学研究所执行主任RuGunawardane博士说。“我们从头开始构建所有这一切，包括衡量和比较细胞组织方式不同方面的指标。我真正感到兴奋的是我们和社区中的其他人现在如何以此为基础并提出有关细胞生物学的问题我们以前永远不会问的。”