2月3日，西南華大生命科學研究院科研團隊成功開發(fā)了推斷細胞時空分化軌跡的新算法SpaTrack，該算法可充分整合細胞的轉(zhuǎn)錄組和空間信息，構(gòu)建細胞分化的動態(tài)軌跡，為揭示組織發(fā)育、器官再生和疾病進展的動態(tài)研究提供了有效的方法支持與重要見解。相關(guān)成果在線發(fā)表于Cell旗下子刊《細胞系統(tǒng)》。
空間坐標和取樣時間可以作為補充轉(zhuǎn)錄組特征的重要約束條件，用于細胞分化的軌跡推斷。基于最優(yōu)傳輸理論和單細胞空間轉(zhuǎn)錄組學，研究團隊開發(fā)了新算法SpaTrack，自然地將空間距離納入細胞分化的成本測量中，能夠準確捕捉生物組織的局部分化細節(jié)、空間上不連續(xù)的分化軌跡。
研究團隊介紹，利用算法優(yōu)勢，SpaTrack能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾個主要功能：一是從單細胞空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中，直接構(gòu)建精細的細胞分化軌跡；二是通過直接細胞映射，追蹤跨時間樣本的細胞分化軌跡；三是通過建模預測轉(zhuǎn)錄因子在分化過程中對基因表達的調(diào)控關(guān)系，捕捉發(fā)育的驅(qū)動因素。
研究團隊對SpaTrack在多種模擬和真實的分化場景下進行了性能測試，并與多種現(xiàn)行方法進行比較，均表明SpaTrack在穩(wěn)定性和準確性上具有優(yōu)勢。進而，研究團隊將SpaTrack應(yīng)用于多個生物系統(tǒng)的研究中，結(jié)果表明，SpaTrack在重建細胞分化軌跡、揭示相關(guān)分化事件和尋找驅(qū)動因素等方面表現(xiàn)出色，并幫助研究取得了新的發(fā)現(xiàn)。
例如，研究團隊重構(gòu)了蠑螈端腦的受損再生過程，揭示了蠑螈腦在損傷區(qū)域和正常區(qū)域不同的分化軌跡；在解析小鼠胚胎的中腦發(fā)育過程中，研究團隊觀察到多個關(guān)鍵前體細胞在多時間點樣本中的分化過程和空間協(xié)調(diào)特征；在腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移過程的研究中，SpaTrack幫助發(fā)現(xiàn)了腫瘤的生長擴增表現(xiàn)出了空間異質(zhì)性，其中一條以上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化為特征的分化路徑，其腫瘤細胞發(fā)生了轉(zhuǎn)移，在淋巴結(jié)區(qū)域形成了轉(zhuǎn)移位的腫瘤。
文章共同通訊作者、西南華大生命科學研究院副研究員秦鵬飛表示：“本次開發(fā)的新算法借助空間轉(zhuǎn)錄組信息，在解析組織發(fā)育和疾病進展的時空動態(tài)上取得了初步成效。接下來團隊將進一步實現(xiàn)時空多組學的融合，解析多源分化、復雜分化等復雜問題?！?span style="display:none">aka即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cels.2025.101194
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