清華大學(xué)雷錦誌等在《美國科學(xué)院院刊》發(fā)表論文
提出成體干細胞再生調(diào)控的數(shù)學(xué)建模新觀點
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《美國科學(xué)院院刊》（PNAS 2014 111(10) E880-E887）在線發(fā)表論文。該論文題目為《成體干細胞再生的基因與表觀遺傳調(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）。該文提出成體干細胞再生調(diào)控中細胞行為服從組織生理功能最優(yōu)的觀點，并且根據(jù)該假設(shè)建立了基于隨機動態(tài)規(guī)劃的關(guān)于干細胞再生調(diào)控的數(shù)學(xué)模型。該論文被PNAS以亮點文章介紹（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自普林斯頓大學(xué)生態(tài)與發(fā)育生物學(xué)系的 美國科學(xué)院院士Simon A. Levin教授、美國加州大學(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。
圖為干細胞再生與分化的調(diào)控中基因型與表觀遺傳型調(diào)控的相互作用維持干細胞組織功能的魯棒性。
成體干細胞存在于人體內(nèi)各種可以自我更新的組織器官中, 通過自我增生, 死亡和分化維持組織的正常生理功能。這一自我更新過程伴隨組織器官的生命過程穩(wěn)健地運行并且在面臨隨機干擾甚至病理損傷后具有良好的魯棒性,，但是其調(diào)控機制還不清楚。以往對干細胞增殖與分化調(diào)控問題的數(shù)學(xué)模型主要集中在細胞群體動力學(xué)的變化，細胞譜系動力學(xué)和細胞增殖與分化的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)建模。但是對細胞數(shù)量與調(diào)控關(guān)系和組織的生理功能的聯(lián)系沒有闡明，特別是對于在進化的過程中根據(jù)對組織生理功能的選擇對細胞行為的調(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胞在自我更新和分化調(diào)控中不僅僅要維持細胞數(shù)量的穩(wěn)定，還要保證組織中不同干細胞類型（表觀遺傳態(tài)）所占比例（即表觀遺傳態(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)過進化過程的選擇所形成的機體調(diào)控機制使得對細胞的分裂，死亡和分化的調(diào)控可以保證組織的整體生理功能達到局部最優(yōu)。根據(jù)這一觀點所建立的數(shù)學(xué)模型體現(xiàn)了干細胞再生調(diào)控中基因型與表觀遺傳型調(diào)控之間的交叉耦合，體現(xiàn)了生物過程中局部與整體、短期與長期目標之間的相互關(guān)聯(lián)。通過對模型的計算表明這種局部調(diào)控關(guān)系與整體生理功能的耦合可以大大增加干細胞組織生理功能應(yīng)對隨機擾動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型的干細胞增殖與分化調(diào)控提出的新的研究思路。論文審稿人美國加州大學(xué)Santa Cruz分校的 Marc Mangel教授高度評價了該論文的工作, 認為這一工作為應(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)家對群體動力學(xué)和干細胞的研究開創(chuàng)新的研究思路。
本研究中清華大學(xué)的工作得到國家自然科學(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
