20万个细胞图像的数据库产生了新的数学框架探索人类细胞的内部

　　来自艾伦研究所（AllenInstituteforCellScience）的研究人员利用数十万张高分辨率图像，对人类细胞的内部组织进行了编号，这一生物学概念直到现在还被证明是非常难以量化的。科学家们在工作中还记录了在类似条件下生长的基因相同的细胞的不同细胞形状。他们的发现最近发表在《自然》杂志上。
　　综合平均形态的细胞，显示17个选择结构。资料来源：艾伦细胞科学研究所
　　细胞的组织方式告诉我们一些关于它们的行为和身份的信息，艾伦细胞科学研究所副所长苏珊娜拉费尔斯基博士说，她和高级科学家马修斯维亚纳博士一起领导了这项研究，当我们都试图了解细胞在健康和疾病中如何变化时，该领域一直缺少的是处理这种组织的严格方法。我们还没有挖掘出这种信息。
　　拉菲尔斯基说，这项研究为生物学家提供了一个路线图，以一种可衡量的、定量的方式了解不同种类的细胞组织。它还揭示了艾伦研究所团队研究的细胞的一些关键组织原则，这些细胞被称为人类诱导多能干细胞。
　　了解细胞在健康条件下如何组织自己以及正常所包含的全部变化范围可以帮助科学家更好地了解在疾病中出了什么问题。这项研究的图像数据集、基因工程干细胞和代码都是公开的，供社区内其他科学家使用。
　　使细胞生物学看起来难以解决的部分原因是，每个细胞看起来都不同，即使它们是同一类型的细胞。加州大学旧金山分校生物化学和生物物理学教授、艾伦细胞科学研究所科学顾问委员会成员华莱士马歇尔博士说：艾伦研究所的这项研究表明，这种长期困扰该领域的可变性实际上是研究细胞组成规则的一个机会。这种方法几乎可以推广到任何细胞，我期望其他许多人也能采用同样的方法。
　　在七年多前启动的一项工作中，艾伦研究所团队首先建立了一个干细胞集合，通过基因工程在荧光显微镜下照亮不同的内部结构。有了标记25个单独结构的细胞系，科学家们随后捕获了超过20万个不同细胞的高分辨率三维图像。
　　所有这些都是为了提出一个看似简单的问题。我们的细胞是如何组织其内部的？
　　结果发现，要找到答案真的很复杂。想象一下，你的办公室里有数百件不同的家具，所有这些家具都需要随时取用，而且许多家具需要自由移动或根据其任务进行互动。现在想象一下，你的办公室是一个被一层薄薄的膜包围的液体囊，而这数百件家具中的许多是更小的液体袋，很显然，这会成为室内设计人员的噩梦。
　　科学家们想知道所有这些微小的细胞结构彼此之间是如何排列的？A结构总是在同一个地方，还是随机的？
　　研究小组在比较两个不同细胞之间的相同结构时遇到了挑战。即使被研究的细胞在基因上是相同的，并在相同的实验室环境中饲养，它们的形状也有很大的不同。科学家们意识到，如果一个细胞是短而圆的，另一个是长而梨形的，那么就不可能比较结构A在两个不同细胞中的位置。因此，他们给那些矮小的豆和修长的梨形加上了数字。
　　利用计算分析，该团队开发了他们所谓的形状空间，客观地描述每个干细胞的外部形状。该形状空间包括八个不同的形状变化维度，如高度、体积、伸长率，以及恰如其分的梨和豆。然后，科学家们可以将梨与梨（或豆子与豆子）进行比较，观察所有类似形状的细胞内部的细胞结构组织。
　　我们知道，在生物学中，形状和功能是相互关联的，了解细胞形状对了解细胞的功能很重要，我们已经想出了一个框架，使我们能够测量一个细胞的形状，当你这样做的那一刻，你可以找到形状相似的细胞，对于这些细胞，你可以再看看里面，看看一切是如何安排的。
　　在分析25个突出的结构的位置，在具有相似形状的细胞组中比较这些结构时，他们发现所有的细胞都以非常相似的方式设置，尽管细胞形状有巨大的变化，但其内部组织却惊人地一致。
　　如果你在一栋高层办公楼里看成千上万的白领如何安排他们的家具，就好像每个工人都把他们的办公桌放在办公室的中间，而他们的文件柜正好在最左边的角落，无论办公室的大小或形状如何。如果你发现一间办公室里的文件柜被扔在地上，文件散落一地这可能会告诉你关于那间特定办公室的状况和它的使用者。
　　细胞的情况也是如此。发现偏离正常状态的情况可以给科学家提供重要的信息，了解细胞在从静止状态过渡到移动状态、准备分裂时的变化，或者了解在疾病中微观层面上出了什么问题。研究人员观察了他们数据集中的两种变化细胞群边缘的细胞，以及正在进行分裂以创造新子细胞的细胞，这一过程被称为有丝分裂。在这两种状态下，科学家们能够发现与细胞的不同环境或活动相关的内部组织变化。
　　艾伦细胞科学研究所执行主任RuGunawardane博士说：这项研究汇集了我们在艾伦细胞科学研究所成立以来所做的一切。我们从头开始建立所有这些，包括衡量和比较细胞如何组织的不同方面的指标。我真正感到兴奋的是，我们和社区中的其他人现在可以在此基础上，提出我们以前无法提出的关于细胞生物学的问题。