艾倫研究所的一個分支——艾倫細胞科學研究所的研究小組通過處理數十萬張高分辨率圖像，對人類細胞的內部組織進行了數字描述——迄今為止，這是一個非常難以量化的生物學概念。通過這項工作，科學家們還捕捉到了細胞形狀豐富變化的細節，即使是在相同條件下生長的基因相同的細胞。該團隊在今天發表在《Nature》雜志上的一篇論文中描述了他們的工作。

“細胞的組織方式告訴我們它們的行為和身份，”艾倫細胞科學研究所副所長Susanne Rafelski博士說，她和高級科學家Matheus Viana博士一起領導了這項研究，“當我們都試圖了解細胞在健康和疾病中的變化時，這個領域缺少的是一種嚴謹的方法來處理這種組織。我們還沒有利用這些信息。”這項研究為生物學家以可測量、定量的方式理解不同類型細胞的組織提供了路線圖。它還揭示了艾倫研究所團隊研究的細胞的一些關鍵組織原理，這些細胞被稱為人類誘導多能干細胞。

了解細胞在健康條件下如何自我組織——以及“正常”條件下所包含的各種變異——可以幫助科學家更好地理解疾病中出現的問題。參與這項研究的圖像數據集、基因工程干細胞和代碼都是公開的，供社區中的其他科學家使用。

“讓細胞生物學看起來難以處理的部分原因是，每個細胞看起來都不同，即使它們是同一類型的細胞。艾倫研究所的這項研究表明，這種長期困擾該領域的可變性實際上是一個研究細胞組合規則的機會，”加州大學舊金山分校生物化學和生物物理學教授、艾倫細胞科學科學顧問委員會成員Wallace Marshall博士說。“這種方法幾乎可以推廣到任何細胞，我預計許多其他細胞也會采用相同的方法。”

計算細胞的梨形度  

在七年多前啟動的一項工作中，艾倫研究所的團隊首先構建了一組經過基因工程改造的干細胞，這些干細胞可以在熒光顯微鏡下照亮不同的內部結構。科學家們掌握了標記25個獨立結構的細胞株，然后捕捉到了超過20萬個不同細胞的高分辨率3D圖像。

所有這些都是為了問一個看似簡單的問題:我們的細胞是如何組織內部的?

事實證明，要得到答案真的很復雜。想象一下，你的辦公室里有數百件不同的家具，所有的家具都需要易于接近，其中許多家具需要根據各自的任務自由移動或相互作用。現在想象一下，你的辦公室是一個被一層薄膜包裹著的液體囊，而那數百件家具中的許多件甚至是更小的液體袋。這是室內設計的噩夢。

科學家們想知道:所有這些微小的細胞結構是如何相互排列的？比如，“結構A”總是在同一個地方，還是隨機的?

研究小組在比較兩個不同細胞的相同結構時遇到了挑戰。盡管所研究的細胞在基因上是相同的，并在相同的實驗室環境中培養，但它們的形狀卻有很大的不同。科學家們意識到，如果一個細胞很短，呈斑點狀，另一個細胞很長，呈梨形，就不可能比較兩個不同細胞中A結構的位置。所以他們在那些短粗的斑點和細長的梨上標注了數字。

通過計算分析，該團隊開發了他們所謂的“形狀空間”，客觀地描述了每個干細胞的外部形狀。這個形狀空間包括八個不同維度的形狀變化，比如高度、體積、伸長率，以及恰當描述的“梨形”和“豆形”。然后，科學家們可以比較梨和梨(或豆子和豆子)，觀察所有形狀相似的細胞內的細胞結構組織。

Viana說:“我們知道，在生物學中，形狀和功能是相互關聯的，了解細胞的形狀對了解細胞的功能非常重要。我們提出了一個框架，可以讓我們測量細胞的形狀，當你這樣做的時候，你可以找到形狀相似的細胞，然后你可以查看這些細胞內部，看看所有東西是如何排列的。”

嚴格的組織  

當他們觀察這25個突出顯示的結構的位置時，將這些結構在形狀相似的細胞組中進行比較，他們發現所有的細胞都以非常相似的方式開店。盡管細胞形狀存在巨大差異，但它們的內部組織卻驚人地一致。如果你觀察一下高層辦公大樓里成千上萬的白領是如何擺放家具的，就好像每個人都把辦公桌放在辦公室的正中央，而把文件柜正好放在最左邊的角落，不管辦公室的大小或形狀如何。現在假設你發現一間辦公室，文件柜扔在地上，文件散落一地——這可能會告訴你關于那個特定辦公室和它的主人的一些情況。

細胞也是如此。發現與正常狀態的偏差可以為科學家提供重要的信息，了解細胞從靜止到移動、準備分裂時如何變化，或者疾病在微觀層面上出了什么問題。研究人員觀察了他們數據集中的兩種變化——位于細胞集落邊緣的細胞，以及正在進行分裂以產生新的子細胞的細胞，這一過程被稱為有絲分裂。在這兩種狀態下，科學家們能夠發現與細胞不同環境或活動相關的內部組織的變化。

艾倫細胞科學研究所執行主任Ru Gunawardane博士說:“這項研究匯集了自研究所成立以來我們在艾倫細胞科學研究所所做的一切。我們從零開始構建了所有這些，包括測量和比較細胞組織方式的不同方面的指標。我真正感到興奮的是，我們和社區中的其他人現在可以在此基礎上提出我們以前從未問過的關于細胞生物學的問題。”

 

Integrated intracellular organization and its variations in human iPS cells