Cell：揭示细胞通过一种数学上的最优解码策略找到自己的身份
有机体由许多类型的细胞组成，这些细胞以一种精确的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，有机体中遗传上相同的细胞是如何分化的？
如今，在一项新的研究中，来自美国普林斯顿大学和奥地利科学技术研究所的研究人员证实在正在发育的果蝇中，四个基因(即所谓的gap基因)的表达水平能够可被联合解码为最佳的位置配置。相关研究结果发表在2019年2月7日的Cell期刊上，论文标题为“Optimal Decoding of Cellular Identities in a Genetic Network”。论文通讯作者为普林斯顿大学的Thomas Gregor。论文第一作者为普林斯顿大学的Mariela Petkova和奥地利科学技术研究所的GašperTkačik。
在果蝇胚胎中，这4个gap基因沿着雪茄形胚胎的长轴在多个区域中开启，从而形成一种复杂的空间模式。这个胚胎中的单个细胞并不具有它们在胚胎内的位置的“全局视图”。因此，科学家们猜测一个细胞测量这些gap基因的浓度，使用这些浓度作为化学全球定位系统来确定它所在的位置，并决定变成某种细胞类型。
然而，这种存在了几十年的观点未能解释所有的观察结果，Tkačik说道，“几个老生常谈的问题仍然存在，到目前为止，大多数科学家已从机制上的角度研究了所涉及的分子，位置是如何读出的以及随后发生了哪些化学反应。”
不过，在这项新的研究中，这些研究人员采取了一种不同的方法。“细胞接收到的关于它们位置的信号是有噪声的---gap基因表达的水平在时间上和不同胚胎之间发生波动。在仅有四个噪声浓度信号时，一个细胞仅看见一次，这就限制了它计算它的位置的精确度。这都是一个基本的物理限制。鉴于gap基因浓度中的这种噪音，我们想要知道任何细胞---包括胚胎中的细胞---是否能够准确地知道它们所在的位置。”
从理论的角度来看，所采取的这种方法是比较明确的，Tkačik解释道，“理论让我们使用了最优解码(optimal decoding)，即一种已建立的统计推断方法。”为此做到这一点，这些研究人员以足够高的准确度测量了gap基因的表达水平，以便描述系统中的生物噪音。基于gap基因如何在野生型胚胎中开启，他们构建出一种最优解码器。为了测试这种最优解码器，他们借助这种最优解码器预测当任何一个gap基因发生突变时胚胎形态将会发生什么，并将这种预测结果与突变体胚胎中发生的真实情况进行比较。这种最优解码器正确地预测了突变胚胎的形态如何受到干扰，准确度为1%，并且无需使用必须通过实验估计出的自由参数。Tkačik解释道，“这种结果是令人吃惊的。在不需要知道细胞如何确定其位置的机制的情形下，仅是假设这是最优化的，而且与此同时，通过使用这四个gap基因的绝对浓度，我们就能够预测突变胚胎中的定位变化。”这些结果提示着在果蝇胚胎中，细胞身份的建立接近于最优。
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