任何給定器官的健康功能或引發疾病的功能障礙源於構成該器官的單個細胞的正常行爲或行爲異常。

最近的技術進步使得科學家們能夠一次一個細胞地分析細胞的作用，但是這些技術僅能產生細胞活性的靜態快照。迄今爲止，無需通過細胞凍存就可捕獲單個細胞的行爲用於預測它的未來一直是無法實現的。

如今，在一項新的研究中，來自美國哈佛醫學院和卡羅林斯卡醫學院的研究人員首次成功地將細胞決策作爲一個動態過程加以捕獲，在這個過程中，細胞決定着做什麼和前往哪裏。這種方法是一種數學模型，可用於估算RNA速度（RNA velocity）---RNA隨時間變化的速率，這種RNA速度可在以小時計的尺度上作爲細胞命運的預測因子。相關研究結果於2018年8月8日在線發表在Nature期刊上，論文標題爲“RNA velocity of single cells”。

捕獲細胞意圖的能力可有助於科學家更好地分析複雜組織和器官中的細胞功能和功能障礙。此外，這還可能有助於監測器官的發育情況以及它們在細胞水平上如何對一種給定藥物或療法作出反應---這些認識有助於評估治療的療效。

細胞廚房

就這種預測模型而言，這些研究人員捕獲了mRNA的變化。mRNA是一種信使分子，它攜帶着嵌入到DNA中的遺傳指令，並將這些指令翻譯成細胞中的蛋白，從本質上講，它們攜帶的指令告訴細胞需要表達多少蛋白。

論文共同通信作者、哈佛醫學院生物學信息學助理教授Peter Kharchenko說，“估計RNA速度---或者說RNA隨時間變化的速度---類似於觀察餐館廚房的廚師，這是因爲他們排列食材以確定他們接下來會提供什麼樣的菜餚。”

這些研究人員測量了通常被認爲是“噪音”的示蹤分子---標準的單細胞分析過程中已捕獲到的標誌物。

這些研究人員說，這些分子標誌物爲細胞的意圖和過去足跡提供了線索。這些標誌物出現在RNA生命週期---細胞將遺傳指令轉化爲功能性蛋白的過程---的各個階段。這個過程可分爲五個步驟：

（1）轉錄，即細胞讀取它的DNA產生新生的mRNA前體（pre-mRNA）；

（2）剪接和其他的過程，在此期間，新生的pre-mRNA經編輯後產生成熟的mRNA分子，用於指導功能性蛋白產生；

（3）核輸出，在此期間，mRNA從細胞核轉運到細胞質中，接受進一步加工；

（4）翻譯，在此期間，成熟的mRNA依據攜帶的遺傳指令產生功能性的蛋白；

（5）降解，在此期間，mRNA一旦完成它的使命，就會遭受切割並被回收利用。

在這個生命週期中，細胞含有處於不同階段的mRNA混合物---新生的mRNA前體、成熟的mRNA和片段化的遭受切割的mRNA。

這些研究人員猜測RNA生命週期的每個階段都有不同的分子標誌物，從而給細胞的未來方向和最終命運提供線索。

Kharchenko說，“我們推斷，通過區分mRNA分子處於生命週期的不同階段，我們將捕獲單個細胞的過去、現在和未來狀態。”

保持平衡狀態

爲了保持活力，細胞永遠不會停止不前。在任何給定時刻，細胞都會上調或下調數百或數千個基因，這個過程的特徵是不同的mRNA表達水平。

即使當細胞不試圖改變它的軌跡或身份時，它也處於平衡狀態，其特徵是新生mRNA的穩定產生和成熟mRNA的降解。這種平衡作用確保細胞保持恆定數量的全功能性mRNA分子以維持它的現狀。然而，任何方向的轉變---過多的或過少的新生mRNA被移除---都預示着細胞行爲的變化。

通過測量處於不同階段的mRNA的比例，這些研究人員能夠預測細胞的軌跡和最終狀態 - 它試圖變成何種細胞類型。

比如，大腦由幾種類型的神經細胞組成，這些神經細胞來自一個共同的祖細胞。不過最終，傳遞神經信號的成體神經元與膠質細胞---保衛和滋養神經元的支持細胞---具有非常不同的能力和功能。

Kharchenko說，“在這種細胞分化過程中，數百個基因開啓或關閉，這取決於這個祖細胞試圖變成何種類型的成體細胞。”

通過分析一個祖細胞在“成熟期間”產生的不同mRNA標記物的數量，這些研究人員能夠確定這個細胞前往哪裏，它將變成何種細胞類型。

爲了驗證這種數學模型的準確性，研究人員通過測量幾個數據集中的細胞標誌物來測試它的預測能力，其中這些數據集包含關於成熟和分化期間小鼠和人體組織中細胞的信息。通過分析單個細胞（比如來自人類前腦的神經元的祖細胞或者小鼠神經內分泌細胞的前體細胞）的RNA，這些研究人員證實對這些細胞的未來狀態的預測與它們試圖變成的細胞類型準確地相符合。

在另一組實驗中，這些研究人員測量了這種數學模型在除發育之外的細胞過程中的預測準確性。它準確地預測了在對光作出反應時被激活的小鼠神經元的最終狀態。

在另一個更復雜的例子中，這些研究人員以從小鼠海馬體中獲得的一組分化細胞爲研究對象，測量了RNA速度作爲細胞命運的預測因子。他們利用分子標誌物分析了1.8萬多個細胞中的RNA速度，以確定大腦幹細胞或中間祖細胞的未來方向和預測它們的最終命運。同樣地，這種分析結果證實對這些細胞未來的預測結果與它們的最終命運準確地相一致。

引人注目的是，這些研究人員發現這些RNA速度模式表明在關鍵決策的十字路口周圍發現的許多看似相似的細胞已在明顯不同的方向上移動，從而預示着不同的細胞命運。

這些研究人員表示，這種方法可能最終幫助科學家們獲得關於一系列發育障礙的寶貴見解。論文資深作者、卡羅林斯卡醫學院分子系統生物學教授Sten Linnarsson說，“RNA速度詳細顯示了神經元和其他的細胞如何在大腦發育和成熟時獲得它們的特定功能。我們特別興奮的是，這種新方法有望協助揭示出大腦通常如何發育，同時也爲破解人類大腦發育障礙（比如精神分裂症和自閉症）中發生的問題提供線索。”

參考資料：Gioele La Manno, Ruslan Soldatov, Amit Zeisel et al. RNA velocity of single cells. Nature, Published Online: 08 August 2018, doi:10.1038/s41586-018-0414-6.