近日，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算課題組與武漢大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院合作，利用數(shù)學(xué)建模和數(shù)值計(jì)算理論研究了單細(xì)胞水平下芽殖酵母細(xì)胞命運(yùn)抉擇分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的精確性問題，相關(guān)成果近日發(fā)表在Scientific Reports雜志上。
細(xì)胞命運(yùn)抉擇在單細(xì)胞和多細(xì)胞生物體的增殖、分化等生命過程中扮演著十分重要的作用，因此研究細(xì)胞命運(yùn)抉擇的分子調(diào)控機(jī)制是當(dāng)前生命科學(xué)的一個(gè)前沿交叉熱點(diǎn)。數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)分析作為定量生物學(xué)的重要工具，在驗(yàn)證生物學(xué)實(shí)驗(yàn)以及給出理論預(yù)測方面發(fā)揮著越來越顯著的作用。然而早期研究細(xì)胞命運(yùn)抉擇分子調(diào)控動(dòng)力學(xué)都是基于確定性的數(shù)學(xué)模型，忽略了單細(xì)胞水平下各種內(nèi)外因素導(dǎo)致的隨機(jī)性�？紤]到細(xì)胞尺寸非常�。ń湍讣�(xì)胞體積為30 fL），mRNA豐度很低（每個(gè)基因平均轉(zhuǎn)錄的mRNA不足1個(gè)），調(diào)控蛋白濃度也往往只在 nM數(shù)量級，因此隨機(jī)漲落不可避免，探討細(xì)胞命運(yùn)抉擇的隨機(jī)動(dòng)力學(xué)和量化細(xì)胞命運(yùn)抉擇的不確定性具有很好的理論和應(yīng)用價(jià)值。
基于郎之萬方程組，易鳴副研究員等首先對隨機(jī)環(huán)境下細(xì)胞周期和細(xì)胞交配兩種命運(yùn)切換相關(guān)的核心蛋白調(diào)控體系建立了數(shù)學(xué)模型，通過wild type細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及reentry實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性。進(jìn)一步，基于物理勢能的概念和沖量的思想將細(xì)胞命運(yùn)抉擇精確性問題直觀化和定量化，詳細(xì)分析了各種隨機(jī)漲落情形下細(xì)胞如何在兩個(gè)命運(yùn)之間進(jìn)行正確選擇。研究結(jié)果表明：噪聲不一定必然破壞命運(yùn)抉擇的精確性，當(dāng)內(nèi)噪聲和外噪聲滿足一定的近似線性關(guān)系的時(shí)候，這種復(fù)雜的隨機(jī)性發(fā)揮著積極作用，確保了高精度的命運(yùn)抉擇，最后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析揭示該理論模型得到的最佳隨機(jī)環(huán)境與真實(shí)的內(nèi)外部噪聲水平定量匹配。該工作有利于提高人們對于單細(xì)胞隨機(jī)條件下生物分子調(diào)控機(jī)制的理解，豐富了人們對于細(xì)胞命運(yùn)抉擇精確性的認(rèn)識。
這是該小組在定量生物計(jì)算方面取得的又一研究進(jìn)展，在此前的工作中，他們對芽殖酵母細(xì)胞命運(yùn)抉擇機(jī)制進(jìn)行了定量研究（Biophysical Journal,104,2282-2294,2013），對細(xì)胞擁擠環(huán)境下MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的生化反應(yīng)規(guī)律和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究（Biophysical Journal,106,1215-1226,2014））。這些工作得到了國家基金委重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目和面上項(xiàng)目的資助。
武漢物數(shù)所細(xì)胞命運(yùn)抉擇隨機(jī)調(diào)控機(jī)制獲初步進(jìn)展
