Nature：人类iPS细胞的综合细胞内组织及其变化

论文ID

题目：Integrated intracellular organization and its variations in human iPS cells

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2023年1月4日

通讯作者单位：艾伦细胞科学研究所

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05563-7

主要内容：

超过20万个人类干细胞被高分辨率和三维成像，以制成一个参考数据集，用于创建一个可通用的计算框架。这使得细胞形状和内部结构的位置能够被测量，并使用严格的统计方法进行比较。

自动化显微镜的技术改进使细胞生物学家能够在一天内捕获数百或数千个活细胞的高分辨率三维图像。细胞生物学家现在必须开发强大的统计方法来测量三维图像的相似性和差异，这项任务在概念上比比较简单的数据类型（如DNA序列或基因表达水平）更加复杂。为了探索细胞内成分的空间分布，我们不仅需要找到测量其平均或典型位置的方法，还需要测量其位置如何变化。

作者的大型多学科团队构建了一系列25个系的人类诱导多能干细胞（iPSCs）。这些细胞是由已转化为类似胚胎状态的成年人类细胞产生的，并可产生任何分化的细胞类型。尽管这些细胞系几乎共享所有相同的基因，但每个细胞系都经过基因工程设计，使不同的、特定的细胞结构的一种蛋白质在每个细胞系中被荧光标记。作者建立了可靠和可重复的自动方法来捕捉活细胞中荧光标签的三维图像以及划定细胞膜和细胞核的染料。

作者接下来设计了一种方法，从较大的视野中计算出单个细胞。即使是同一类型的细胞也有不同的形状，因此我们构建了一个八维的 "形状空间"，其中每个细胞及其细胞核的形状被表示为一个点，并且可以通过该点的坐标准确地重建（图1a）。在形状空间中，代表具有相似形状的细胞的点被聚集在一起，在一个集群中的细胞的形状可以在计算机中被巧妙地压扁和拉伸，以匹配形状空间中靠近它们的假设 "模板 "细胞的形状（图1b）。

然后，作者将每个细胞细分为一系列的同心壳，并在其中绘制荧光标记的结构图。这就产生了一个 "参数化的细胞内位置表示"（PILR）：单个细胞内的标记结构的坐标。随着这些PILRs被映射到理想化的模板-细胞形状上，作者能够确定内部结构的平均位置，并在细胞之间比较这些位置。

使用这种方法，作者确定了在所有细胞内总是在相同的相对位置发现的细胞内结构，而不管整个细胞的形状如何，以及那些具有高度可变性的位置。同样地，作者确定了总是在类似位置发现的结构对。作者还测量了处于不同状态的细胞的细胞内组织如何变化，包括那些处于菌落边缘和进入细胞分裂的细胞。

作者量化细胞内组织的方法背后的概念是高度通用的：首先，建立一个细胞形状空间，其次，在该形状空间内产生一个蛋白质定位的参数化表示。这种方法能够对不同状态的细胞，如突变体、用药物治疗的细胞或正在分化的细胞的细胞内组织的相似性和差异进行严格的统计比较。我们的方法可以与现有的细胞状态和细胞特征数据结合起来，包括基因表达、分子信号状态等概况，最终目的是开发一个全面、定量、多模式的细胞状态描述。

作者的具体方法依赖于一种数学形状解构，对近似球形或立方体的细胞和细胞核效果最好。对于高度分枝的细胞，如神经元，或扁平的细胞，如内皮细胞，其他的形状表示可能更方便。然而，作者的概念框架可以适用于任何适当的形状表示。

在这项工作中，作者用作者的分析框架来分析活细胞的单一快照。同样的方法可用于严格分析动态状态变化（如分化）中的细胞延时电影的细胞组织变化。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05563-7

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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