清華大學(xué)雷錦誌等在《美國(guó)科學(xué)院院刊》發(fā)表論文
提出成體干細(xì)胞再生調(diào)控的數(shù)學(xué)建模新觀(guān)點(diǎn)
清華新聞網(wǎng)3月12日電 清華大學(xué)周培源應(yīng)用數(shù)學(xué)研究中心雷錦誌副研究員日前在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS 2014 111(10) E880-E887）在線(xiàn)發(fā)表論文。該論文題目為《成體干細(xì)胞再生的基因與表觀(guān)遺傳調(diào)控交叉作用的數(shù)學(xué)模型》（Mathematical model of adult stem cell regeneration with cross-talk between genetic and epigenetic regulation）。該文提出成體干細(xì)胞再生調(diào)控中細(xì)胞行為服從組織生理功能最優(yōu)的觀(guān)點(diǎn)，并且根據(jù)該假設(shè)建立了基于隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的關(guān)于干細(xì)胞再生調(diào)控的數(shù)學(xué)模型。該論文被PNAS以亮點(diǎn)文章介紹（PNAS 2014 111(10) 3647-3648）。
雷錦誌為該論文的第一作者。另外兩名合作者分別來(lái)自普林斯頓大學(xué)生態(tài)與發(fā)育生物學(xué)系的 美國(guó)科學(xué)院院士Simon A. Levin教授、美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校數(shù)學(xué)系的Qing Nie教授, Simon A. Levin 教授為論文通訊作者。
圖為干細(xì)胞再生與分化的調(diào)控中基因型與表觀(guān)遺傳型調(diào)控的相互作用維持干細(xì)胞組織功能的魯棒性。
成體干細(xì)胞存在于人體內(nèi)各種可以自我更新的組織器官中, 通過(guò)自我增生, 死亡和分化維持組織的正常生理功能。這一自我更新過(guò)程伴隨組織器官的生命過(guò)程穩(wěn)健地運(yùn)行并且在面臨隨機(jī)干擾甚至病理?yè)p傷后具有良好的魯棒性,，但是其調(diào)控機(jī)制還不清楚。以往對(duì)干細(xì)胞增殖與分化調(diào)控問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型主要集中在細(xì)胞群體動(dòng)力學(xué)的變化，細(xì)胞譜系動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞增殖與分化的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)建模。但是對(duì)細(xì)胞數(shù)量與調(diào)控關(guān)系和組織的生理功能的聯(lián)系沒(méi)有闡明，特別是對(duì)于在進(jìn)化的過(guò)程中根據(jù)對(duì)組織生理功能的選擇對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)控的關(guān)系缺乏定量模型的描述。
這篇論文提出組織干細(xì)胞在自我更新和分化調(diào)控中不僅僅要維持細(xì)胞數(shù)量的穩(wěn)定，還要保證組織中不同干細(xì)胞類(lèi)型（表觀(guān)遺傳態(tài)）所占比例（即表觀(guān)遺傳態(tài)的分布）的恒定。此外，作者提出局部最優(yōu)假設(shè)，即假設(shè)經(jīng)過(guò)進(jìn)化過(guò)程的選擇所形成的機(jī)體調(diào)控機(jī)制使得對(duì)細(xì)胞的分裂，死亡和分化的調(diào)控可以保證組織的整體生理功能達(dá)到局部最優(yōu)。根據(jù)這一觀(guān)點(diǎn)所建立的數(shù)學(xué)模型體現(xiàn)了干細(xì)胞再生調(diào)控中基因型與表觀(guān)遺傳型調(diào)控之間的交叉耦合，體現(xiàn)了生物過(guò)程中局部與整體、短期與長(zhǎng)期目標(biāo)之間的相互關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)模型的計(jì)算表明這種局部調(diào)控關(guān)系與整體生理功能的耦合可以大大增加干細(xì)胞組織生理功能應(yīng)對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)和生理病變的魯棒性。
該研究論文的主要結(jié)果是提出了關(guān)于干細(xì)胞增殖與分化調(diào)控策略的理論框架和數(shù)學(xué)模型。這一理論框架為研究具體類(lèi)型的干細(xì)胞增殖與分化調(diào)控提出的新的研究思路。論文審稿人美國(guó)加州大學(xué)Santa Cruz分校的 Marc Mangel教授高度評(píng)價(jià)了該論文的工作, 認(rèn)為這一工作為應(yīng)用數(shù)學(xué)家提出了新的生物系統(tǒng)的建模方向, 并可能為生物學(xué)家對(duì)群體動(dòng)力學(xué)和干細(xì)胞的研究開(kāi)創(chuàng)新的研究思路。
本研究中清華大學(xué)的工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
文章鏈接:
1) 正文:http://www.pnas.org/content/111/10/E880
2) 亮點(diǎn)介紹:http://www.pnas.org/content/111/10/3647.full
供稿：周培源應(yīng)用數(shù)學(xué)研究中心 編輯：襄 樺
