细胞使用数学上最优的策略找到它们的身份

生物体由许多类型的细胞组成，这些细胞以精确和可再现的空间模式排列，从而产生适当形成和功能良好的组织和器官。但是，生物体中遗传上相同的细胞如何分化?一个研究小组，包括奥地利科学技术研究所(IST奥地利)的GašperTkačik，现在已经证明，在发展中的果蝇中，四个基因的表达水平，即所谓的缺口基因，可以联合解码成一个最佳位置规范。这是今天在Cell上发表的一项研究的结果，该研究由资深作者Thomas Gregor，Eric Wieschaus，William Bialek，Mariela Petkova和GašperTkačik撰写。

在果蝇胚胎中，四个间隙基因沿着雪茄形胚胎的长轴在各个区域中开启，形成复杂的空间模式。胚胎中的个体细胞不具有它们在胚胎内的位置的“全局视图”。因此，科学家假设细胞测量间隙基因的浓度，使用这些浓度作为化学全球定位系统来确定其位置，并决定成为某种细胞类型。

然而，这个几十年前的范例并没有解释所有的观察结果，Tkačik说：“几个唠叨的问题仍然存在，到目前为止，大多数研究人员已经机械地研究了所涉及的分子，如何读出位置，以及随后的化学反应是什么“。

然而，在目前的研究中，团队采取了不同的方法。“细胞接收到的关于它们位置的信号是有噪声的 - 间隙基因表达的水平在时间和胚胎之间波动。只有四个噪声浓度信号，细胞看起来只有一次限制了这个细胞计算其位置的精确度无论涉及何种机制或计算，这都是一个基本的物理限制。鉴于间隙基因浓度中的这种噪音，我们会问，任何人 - 包括胚胎中的细胞 - 能够准确地说出它们在哪里?

从理论的角度来看，采取的方法很明确，Tkačik解释说：“理论告诉我们使用最优解码，一种既定的统计推断方法。” 为此，研究人员测量了间隙基因表达水平具有足够的精确度来表征系统中的生物噪声。基于如何在野生型胚胎中开启间隙基因，他们构建了最佳解码器。为了测试解码器，他们询问解码器预测如果任何间隙基因被遗传扰乱将会发生什么样的模式化，并将这种预测与这种突变体胚胎的真实情况进行比较。解码器正确地预测了突变体胚胎中图案化是如何扭曲的，准确度为1%，并且没有必须通过实验估计的自由参数。“这个结果令人惊讶。不需要知道细胞如何确定其位置的机制，只是假设这是最优化的，同时，使用所有四个间隙基因的绝对浓度，我们可以预测突变体的定位变化，”

这些结果意味着在果蝇胚胎中，细胞身份的建立接近最佳。“进化一直在推动这个系统足够强大，以至于无论分子上发生了什么 - 分子硬件都非常接近于数学上最佳的位置计算，”Tkačik说，“虽然我们没有研究哪种机制起作用，但我们的结果表明我们不能很好地理解这种机制。根据假定的机制拟合数据的模型需要更多的参数，但比简单地假设没有自由参数进行调整的情况更差，就像我们在这里所做的那样。“

结果还质疑了如何在果蝇胚胎中传达位置信息的教科书模型。Eric Wieschaus和ChristianeNüsslein-Vollhard确定了图案化所需的基因，这是他们在1995年获得诺贝尔奖的发现。根据流行的观点，来自母亲的早期信号在图案网络的几个层面上得到缓慢的提炼。“我们的结果质疑了这种逐步改善噪声信号的级联的经典概念。已经在级联的最早阶段，在缺口基因水平上，有足够的信息可以精确定位所有细胞，”Tkačik解释说。

Tkačik说，为什么级联存在仍然是一个悬而未决的问题，但附加层可以帮助细胞处理可用信息。“仅仅因为信息已经存在于间隙基因中并不意味着这些信息很容易被读出来。也许附加层将信息转换为更容易被细胞访问的格式，从而可靠地提交给明确定义的细胞类型。“