人類細(xì)胞的內(nèi)部長(zhǎng)什么樣？
撰文 ｜M?ka
想象一下，你的辦公室里有數(shù)百件不同家具，所有這些家具都可能要隨時(shí)取用，許多家具還要能自由移動(dòng)，或者根據(jù)它們的功能進(jìn)行“拼裝”“拆分”等等的互動(dòng)。
現(xiàn)在再發(fā)揮一下想象力，你的辦公室其實(shí)是一個(gè)被薄膜包圍的液體囊袋，而這數(shù)百件家具中的許多是更小的液體袋。這簡(jiǎn)直是室內(nèi)設(shè)計(jì)的噩夢(mèng)。
這恰恰正是我們細(xì)胞里的情況。在所有細(xì)胞研究中，有一個(gè)看似簡(jiǎn)單而基礎(chǔ)，卻被證明相當(dāng)難以量化和回答的問題，那就是，我們的細(xì)胞是如何組織它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的？
今日，科學(xué)家首次提出了一種新方法來研究這個(gè)問題。艾倫細(xì)胞科學(xué)研究所的團(tuán)隊(duì)通過使用數(shù)十萬張高分辨率圖像，對(duì)人類細(xì)胞的內(nèi)部組織進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。
通過這項(xiàng)研究，科學(xué)家捕捉到了大量有關(guān)細(xì)胞形狀變化的細(xì)節(jié)，這些形態(tài)變化即使是在相同條件下生長(zhǎng)的有著相同基因的細(xì)胞也會(huì)出現(xiàn)。論文已發(fā)表在《自然》雜志上。
細(xì)胞的組織方式透露了它們的行為和身份信息。當(dāng)科學(xué)家試圖了解細(xì)胞在健康和疾病中如何變化時(shí)，這個(gè)領(lǐng)域一直缺少的是一種處理這種組織方式的嚴(yán)格方法。
在一項(xiàng)于七年多前啟動(dòng)的研究中，團(tuán)隊(duì)首先建立了一個(gè)干細(xì)胞集合，這些細(xì)胞在經(jīng)過了專門的基因工程改造，可以在熒光顯微鏡下照亮不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在獲取了標(biāo)記了25個(gè)單獨(dú)結(jié)構(gòu)的細(xì)胞系后，他們捕獲了超過20萬個(gè)不同細(xì)胞的高分辨率三維圖像。
熒光標(biāo)記的基因編輯細(xì)胞。（圖／艾倫細(xì)胞科學(xué)研究所）
科學(xué)家想知道，所有這些微小的細(xì)胞結(jié)構(gòu)是如何排列的？某一個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)一直待在同一個(gè)地方，還是隨機(jī)的？
在解答這些問題時(shí)，團(tuán)隊(duì)遇到的挑戰(zhàn)之一，便是比較兩個(gè)不同細(xì)胞之間相同的結(jié)構(gòu)。即使是同一類型的細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞看起來也都不一樣。即使一些細(xì)胞在基因上是相同的，并且在相同的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中培育，但它們的形狀卻仍可以相差甚遠(yuǎn)。
這些情況讓科學(xué)家意識(shí)到，如果一個(gè)細(xì)胞短而圓，另一個(gè)是長(zhǎng)梨形的，就不可能比較這兩個(gè)不同細(xì)胞中同一結(jié)構(gòu)的位置。因此，他們給那些短而圓和長(zhǎng)梨形的都加上了數(shù)字。
利用計(jì)算分析，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種“形狀空間”的概念，用它來客觀描述每個(gè)干細(xì)胞的外部形狀。形狀空間包括8個(gè)不同的形狀變化維度，比如高、體積、伸長(zhǎng)度，以及恰如其分的“梨形”和“豆形”。然后，科學(xué)家可以將同類進(jìn)行比較，觀察所有類似形狀的細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組織。
他們還研究了25個(gè)被標(biāo)記的結(jié)構(gòu)的位置，然后在具有相似形狀的細(xì)胞組中對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管細(xì)胞形狀產(chǎn)生了巨大的變化，但它們內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)卻驚人地一致。
這就好比，如果你開啟了“上帝視角”觀察一棟高層辦公樓里成千上萬的白領(lǐng)如何排列他們的家具，發(fā)現(xiàn)每個(gè)人都把他們的桌子放在了辦公室中央，文件柜恰好都在最左邊的角落里，無論辦公室的大小或形狀如何都是如此。而就在這時(shí)，如果你注意到有一間辦公室里的文件柜倒在地上，文件散落一地，你可能會(huì)意識(shí)到，這間辦公室和它的使用者出了些狀況。
細(xì)胞也是如此。發(fā)現(xiàn)偏離正常狀態(tài)的情況，可以給科學(xué)家提供重要的信息，了解細(xì)胞在從靜止過渡到移動(dòng)、準(zhǔn)備分裂時(shí)的變化，或者了解在疾病中微觀層面上出了什么問題。
了解細(xì)胞結(jié)構(gòu)的平均位置，以及它們偏離這種平均位置的變化，將幫助科學(xué)家更進(jìn)一步了解可能預(yù)示著單個(gè)細(xì)胞疾病或狀態(tài)改變的結(jié)構(gòu)變化。（圖／艾倫細(xì)胞科學(xué)研究所）
研究人員觀察了他們數(shù)據(jù)集中的兩種變化，分別是細(xì)胞群邊緣的細(xì)胞，以及正在進(jìn)行有絲分裂并創(chuàng)造出新的子細(xì)胞的細(xì)胞。在這兩種狀態(tài)下，科學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)與細(xì)胞的不同環(huán)境或活動(dòng)相關(guān)的內(nèi)部組織變化。
我們已經(jīng)知道，在生物學(xué)中，形狀和功能是相互關(guān)聯(lián)的，了解細(xì)胞形狀對(duì)認(rèn)識(shí)它們的功能很重要。這項(xiàng)研究為生物學(xué)家提供了一份路線圖，以可衡量的、定量的方式，了解不同種類細(xì)胞的組織方式，它還揭示了細(xì)胞的一些關(guān)鍵組織原則。了解細(xì)胞在健康條件下如何組織自己，以及“正?！敝兴娜孔兓秶梢詭椭茖W(xué)家更好地了解疾病中的問題所在。
這項(xiàng)研究的圖像數(shù)據(jù)集、基因工程干細(xì)胞和代碼都是公開的，供科學(xué)界其他研究人員使用。這種方法可以推廣到幾乎任何細(xì)胞。研究人員表示，他們期望更多人采用這種方法，在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上提出以前無法提出的細(xì)胞生物學(xué)問題。
參考資料：
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