معلومة

محاكاة تمايز الخلايا

محاكاة تمايز الخلايا


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أنا مبرمج كمبيوتر مهتم بشدة بعلم الأحياء.

أود أن أكتب محاكاة حاسوبية لتمايز الخلايا. أفهم أنه ستكون هناك تحديات تبدو مستحيلة في القيام بذلك. لكنني أولاً أبحث عن إجابات لبعض الأسئلة الأساسية.

  1. لقد تعلمت أن البيضة الملقحة تتحول إلى "خلايا جذعية جنينية" ينتج عنها الكائن الحي. كيف تتحول البيضة الملقحة إلى خلايا جنينية؟
  2. ما هي العوامل التي تحدد تخصص الخلايا الجذعية الجنينية في أنواع أكثر تخصصًا من الخلايا وكيف يتم هذا التحول فيزيائيًا؟
  3. أين يتم تخزين البيانات التي تعمل بمثابة "الدليل" لجميع هذه العمليات؟ هل يتم تخزينه في الحمض النووي؟ إذا تم تخزينها في الحمض النووي ، فهل من المعروف كيف تفسر الخلايا المعلومات الموجودة في الحمض النووي؟
  4. ما هي بعض الكتب المدرسية التي يجب أن أشير إليها في هذا المشروع؟

ملاحظة: عفواً عن جهلي إذا كانت هذه الأسئلة تبدو غبية ، لكنني على استعداد لتخصيص وقت لتعلم أي شيء مطلوب للقيام بذلك. كما أنني أفهم أن كل هذه الأسئلة لا يمكن الإجابة عليها في بضعة أسطر. يرجى تقديم المراجع / المؤشرات. شكرا !


محاولة الإجابة على هذا السؤال في بضعة أسطر مهمة شاقة. في الغالب لست متأكدًا من أننا حتى اليوم نعرف كل ما يمكن معرفته عنه.

سأحاول أن أعطيك بعض التلميحات بالرغم من ذلك.

  1. هذه العملية تسمى التطور الجنيني. اللاقحة (أو بويضة) يخضع لانقسامات انقسامية سريعة مع عدم وجود نمو كبير في الحجم مما يؤدي إلى نمو الجنين. هذه العملية تسمى الانقسام. يتم إنشاء المتفجرات أثناء هذه العملية. في اليوم الثالث - قد يختلف الوقت ولكن ليس بشكل كبير - انقسام تصل إلى حالة 16 خلية. تحدث الانقسامات الخلوية دائمًا عن طريق الانقسام المتوازي (1 -> 2 ، 2 -> 4 ، 4 -> 8 ، 8 -> 16). ادرس الروابط التي قدمتها لك وأعد بأسئلة أكثر تحديدًا.

  2. مرة أخرى ، هذا نوع من الأسئلة التي يصعب الإجابة عليها دون شرح العملية برمتها من الإخصاب إلى نمو الجنين ، لأن تكوين الأنسجة (الخلايا) والأعضاء يحدث على طول الطريق ، وليس مرة واحدة. ومع ذلك ، فقد تم توثيقه.

  3. لست متأكدا.

  4. ابدأ بروابط ويكيبيديا وحاول العودة بأسئلة أكثر تحديدًا. لدي كتابان نصيان لكنني أخشى أنهما ليسا مفصلين كما تريد :-)

حظا طيبا وفقك الله!


سأبدأ بعلم الأحياء التنموي ، الطبعة التاسعة. لا يتعلق الأمر بالحد الأقصى المطلق ، كما تم نشره في عام 2010 ، ولكنه يحتوي على الكثير من الأشياء الجيدة فيه. تعد ويكيبيديا مصدرًا لائقًا للحصول على لمحات عامة موجزة جدًا حول مواضيع معينة ، لكن الكثير من مقالات علوم الحياة التي قرأتها غالبًا ما تكون ناقصة ، على عكس مقالات الفيزياء والرياضيات ، على سبيل المثال.

بالنسبة للسؤال 3 ، نعم ، "البيانات" مخزنة في الحمض النووي. للحصول على دليل شامل ، فإن أحد كتبي المفضلة هو Molecular Biology of the Cell، 5th Ed .. إنه قديم بعض الشيء الآن (نُشر عام 2007) ، ولكن إذا كنت تريد أن تفهم كيفية عمل DNA و RNA والبروتينات ، فهي رائعة نص نظرة عامة.


تخضع إجابات معظم أسئلتك إلى بحث نشط وهناك العديد من الأشياء المجهولة. يعد فهم هذه العملية أحد الأهداف الرئيسية لعلم الأحياء التطوري. لذلك ، حاول تحديد أهداف معقولة لمشروعك ، وذلك بشكل أساسي من خلال معرفة أين لديك بيانات كافية للعمل بها.

سأبدأ بقراءة بعض الكتب المدرسية الأساسية في علم الأحياء التطوري.

فيما يتعلق بتدفق المعلومات: تذكر أنه بدءًا من البيضة الملقحة وما بعدها إلى الكائن الحي بأكمله ، يكون تسلسل الحمض النووي بشكل عام هو نفسه بين جميع الخلايا. كعالم كمبيوتر ، قد يساعدك التفكير في الأمر بهذه الطريقة:

فكر في الحمض النووي كدالة رياضية معقدة للغاية. $ f () $ تعمل على الحالات الخلوية. ستكون الحالة الخلوية الحالية $ S_i $ هي إجمالي المكونات الجزيئية للخلية وستنتج الوظيفة البيولوجية للخلية. لذلك ، تبدأ بحالة الخلية الأولية $ S_0 $ (يمكن أن تكون متجهًا ، على سبيل المثال) ثم تكون الخلايا الوليدة: $ S_1 = f (S_0) $ ، ستكون الخلايا التابعة لها $ S_2 = f (S_1) $. هذا ليس تمثيلًا مثاليًا للعملية (نظرًا لأنه في النقطة الزمنية 2 قد يكون لديك بالفعل خلايا $ S_0 $ و $ S_1 $) ، لكنها تؤكد على النقطة التي مفادها أنه على الرغم من أن تسلسل الحمض النووي "يحسب" الخطوة التالية فهو في الواقع ثابت ، والنقطة التي تملي كل حالة خلوية الحالة التالية. يبدو لي أن سلسلة ماركوف قد تكون مناسبة. بالطبع يمكنك أيضًا تجربة نماذج أكثر تعقيدًا - لكن من الأفضل أن تبدأ بسيطًا.

أيضًا ، أود أن أقترح البدء بـ C. elegans كأنواع نموذجية. وذلك لأن مصير التمايز الكامل لكل خلية من خلاياها الجسدية البالغ عددها 1031 معروف - وهو إنجاز رائع وشيء لن يكون لديك في الأنواع الأخرى.


التمايز الخلوي

التمايز الخلوي هي العملية التي تتغير فيها خلية من نوع خلية إلى نوع آخر. [2] [3] عادة ، تتغير الخلية إلى نوع أكثر تخصصًا. يحدث التمايز مرات عديدة أثناء تطور كائن متعدد الخلايا حيث يتغير من زيجوت بسيط إلى نظام معقد من الأنسجة وأنواع الخلايا. يستمر التمايز في مرحلة البلوغ حيث تنقسم الخلايا الجذعية البالغة وتخلق خلايا ابنة متمايزة تمامًا أثناء إصلاح الأنسجة وأثناء دوران الخلايا الطبيعي. يحدث بعض التمايز استجابة لتعرض مستضد. يغير التمايز بشكل كبير حجم الخلية وشكلها وإمكانات الغشاء ونشاط التمثيل الغذائي والاستجابة للإشارات. ترجع هذه التغييرات إلى حد كبير إلى التعديلات الخاضعة للرقابة العالية في التعبير الجيني وهي دراسة علم التخلق. مع استثناءات قليلة ، لا ينطوي التمايز الخلوي على الإطلاق تقريبًا على تغيير في تسلسل الحمض النووي نفسه. على الرغم من أن التركيب الأيضي يتغير بشكل كبير [4] حيث تتميز الخلايا الجذعية بوفرة الأيضات ذات الهياكل غير المشبعة بدرجة عالية والتي تنخفض مستوياتها عند التمايز. وبالتالي ، يمكن أن يكون للخلايا المختلفة خصائص فيزيائية مختلفة تمامًا على الرغم من امتلاكها لنفس الجينوم.

نوع متخصص من التمايز ، يُعرف باسم "التمايز الطرفي" ، له أهمية في بعض الأنسجة ، على سبيل المثال الجهاز العصبي الفقاري والعضلات المخططة والبشرة والأمعاء. أثناء التمايز الطرفي ، تغادر الخلية السليفة التي كانت قادرة سابقًا على انقسام الخلية ، دورة الخلية بشكل دائم ، وتفكك آلية دورة الخلية وغالبًا ما تعبر عن مجموعة من الجينات المميزة للوظيفة النهائية للخلية (مثل الميوسين والأكتين لخلية عضلية). قد يستمر حدوث التمايز بعد التمايز النهائي إذا خضعت قدرة الخلية ووظائفها لمزيد من التغييرات.

من بين الخلايا المنقسمة ، هناك مستويات متعددة من فاعلية الخلية ، وقدرة الخلية على التمايز إلى أنواع خلايا أخرى. تشير الفاعلية الأكبر إلى عدد أكبر من أنواع الخلايا التي يمكن اشتقاقها. تُعرف الخلية التي يمكن أن تتمايز إلى جميع أنواع الخلايا ، بما في ذلك نسيج المشيمة مكتمل. في الثدييات ، تكون البيضة الملقحة و blastomeres اللاحقة فقط مكتملة النمو ، بينما في النباتات ، يمكن أن تصبح العديد من الخلايا المتمايزة كاملة القدرات بتقنيات معملية بسيطة. تُعرف الخلية التي يمكن أن تتمايز إلى جميع أنواع الخلايا للكائن البالغ متعدد القدرات. تسمى هذه الخلايا الخلايا الإنشائية في النباتات العليا والخلايا الجذعية الجنينية في الحيوانات ، على الرغم من أن بعض المجموعات أبلغت عن وجود خلايا بالغة متعددة القدرات. يعد التعبير الناجم عن أربعة عوامل نسخ Oct4 و Sox2 و c-Myc و Klf4 (عوامل Yamanaka) كافياً لإنشاء خلايا متعددة القدرات (iPS) من الخلايا الليفية البالغة. [5] الخلية متعددة القدرات هي الخلية التي يمكن أن تتمايز إلى عدة أنواع مختلفة من الخلايا ، لكنها وثيقة الصلة ببعضها البعض. [6] تعد الخلايا قليلة الفعالية أكثر تقييدًا من الخلايا متعددة القدرات ، ولكن لا يزال بإمكانها التمايز إلى عدد قليل من أنواع الخلايا وثيقة الصلة. [6] أخيرًا ، يمكن للخلايا أحادية الفعالية أن تتمايز إلى نوع خلية واحد فقط ، ولكنها قادرة على التجديد الذاتي. [6] في علم أمراض الخلايا ، يتم استخدام مستوى التمايز الخلوي كمقياس لتطور السرطان. "الدرجة" هي علامة على مدى تمايز خلية في الورم. [7]


أمثلة على تمايز الخلايا

في الحيوانات

بعد عملية التخصيب في الحيوانات ، كائن وحيد الخلية يسمى اللاقحة لقد تكون. البيضة الملقحة كاملة القدرة ، وستصبح في النهاية كائنًا كاملًا. حتى أكبر حيوان على وجه الأرض ، الحوت الأزرق ، يبدأ كخلية واحدة. الأنسجة المعقدة وأنظمة الأعضاء ، والتي تختلف تمامًا في شكلها ووظيفتها ، تأتي جميعها من البيضة الملقحة. تبدأ عملية تمايز الخلايا في وقت مبكر داخل الكائن الحي. بحلول الوقت المعدة قد تشكلت ، وبدأت الخلايا بالفعل في التعبير عن أجزاء مختلفة من الحمض النووي.

مع استمرار تشكل الأنظمة ، تفقد العديد من الخلايا الجذعية قدرتها الكاملة ، وتخضع نفسها لتمايز الخلايا. هذا يسمح بإنتاج أسرع للخلايا المتخصصة ، والتي يحتاجها الكائن الحي للنمو للحفاظ على نموه ودخول العالم بنجاح. من خلال تمايز الخلايا ، تتشكل أنسجة مختلفة مثل أنسجة المخ والعضلات من نفس الخلية المفردة.

في النباتات

بينما تبدو دورة حياة النبات في بعض الأحيان غريبة ومعقدة ، فإن عملية تمايز الخلايا متشابهة جدًا. في حين أن هناك هرمونات مختلفة متورطة ، فإن جميع النباتات تتطور أيضًا من خلية واحدة. البذرة هي ببساطة مسكن وقائي للزيجوت ، والذي يوفر أيضًا مصدرًا غذائيًا. إنه مشابه جدًا للبيضة في عالم الحيوان. تخضع البيضة الملقحة الموجودة بالداخل لانقسام الخلايا وتصبح جنينًا صغيرًا. توقف التنمية ، حيث يتم توزيع البذور في العالم.

بعد الشتاء ، أو في أي وقت تكون فيه البيئة أولية ، تمتص البذور الرطوبة وتعيد عملية التطوير. سيبدأ الجنين في تكوين اثنين meristems. النسيج الإنشائي هو جزء فريد من الخلايا الجذعية ، والتي تخضع لتمايز الخلايا أثناء نموها للخارج. سوف ينمو أحدهما نحو السطح ، بينما يصبح الآخر هو الجذور.

في الجذور تتشكل طبقة من الخلايا حول النسيج الإنشائي ، وتشكل قلنسوة الجذر. تنسلخ هذه الطبقة من الخلايا مع تحرك الجذور عبر التربة ، ويتم استبدالها باستمرار بالنسيج الإنشائي. في داخل النسيج الإنشائي ، يحدث تمايز الخلايا في اتجاه مختلف. تقوم الهرمونات والبيئة هنا بتوجيه الخلايا لتصبح أنسجة وعائية وخلايا داعمة. ستحمل هذه المواد في النهاية الماء والمواد المغذية إلى أعلى النبات.

على السطح ، يعمل النسيج الإنشائي بطريقة مماثلة. عندما ينقسم إلى أعلى ، فإنه يخلق خلايا داخلية وخارجية. تخضع الخلايا الداخلية لتمايز مشابه لتمايز الجذور ، مما ينتج عنه المزيد من الأنسجة الوعائية. في الخارج ، تخضع الخلايا لتمايز الخلايا إلى سيقان وأوراق. هذه مكافئة لأعضاء الحيوانات المختلفة ، وهي تختلف عن الخلايا البادئة مثل الخلايا الحيوانية. إذا لم تكن مقتنعًا ، التقط جوزة وقارنها بالشجرة الضخمة التي ستصبح. فهي ليست أصغر حجمًا فحسب ، بل إنها تحتوي أيضًا على أنواع خلايا مختلفة تمامًا. يمكن تفسير ذلك من خلال عملية تمايز الخلايا.


نموذج ميكانيكي حيوي لمحاكاة تمايز الأنسجة وتجديد العظام: تطبيق على التئام الكسور

تجديد العظام هو عملية بيولوجية شائعة تحدث ، على سبيل المثال ، أثناء التئام الكسور أو التكامل العظمي للأطراف الاصطناعية. من الصعب إجراء محاكاة الكمبيوتر لتجديد العظام لأنها سلسلة معقدة من العمليات التي تتم بوساطة الخلايا التي تنظمها المحفزات البيولوجية الميكانيكية. تم تطوير خوارزمية للتنبؤ بالمسار الزمني للتعظم الغشائي وداخل الغضروف. تفترض الخوارزمية أن هناك خلايا سليفة في الأنسجة غير المتمايزة وأن هذه الخلايا تتمايز إلى أرومات ليفية (لتشكيل نسيج ضام ليفي) أو خلايا غضروفية (لتشكيل نسيج غضروفي) أو بانيات عظمية (لتشكيل عظم) ، بناءً على مجموعة من المحفزات الفيزيائية الحيوية مشتق من الإجهاد في المصفوفة الكولاجينية وتدفق السائل الخلالي. من المعروف أن هذين المنبهين يشوهان الخلايا السليفة ، ويفترض المؤلفان أن هذا يتسبب في تنشيط مسارات تمايز الخلايا. تم تضمين الملاحظة التي تشير إلى أن الخلايا الأولية تستغرق وقتًا لتنتشر في جميع أنحاء دشبذ الكسر في الخوارزمية. تم اختبار الخوارزمية في تحقيق التئام الكسر لعظم طويل باستخدام نموذج عنصر محدود متماثل المحور. تم بنجاح محاكاة التسلسل المكاني والزماني للأنماط الظاهرية للأنسجة التي تظهر أثناء التئام الكسور. علاوة على ذلك ، من المتوقع أن يكون لأصل الخلايا السليفة (إما العضلات المحيطة أو نخاع العظم أو السمحاق) تأثير أساسي على نمط الشفاء وعلى معدل تقليل الإجهاد بين الشظايا (IFS). ينخفض ​​IFS الأولي = 0.15 إلى 0.01 خلال سبع تكرارات إذا نشأت الخلايا من الأنسجة الرخوة المحيطة ، ولكنها تستغرق أكثر من 50٪ إذا نشأت الخلايا في طبقة الكامبيوم الداخلية من السمحاق ، وأربع مرات أطول إذا نشأت الخلايا الأولية من العظم نخاع فقط.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


مناقشة

نقترح طريقة إحصائية PseudotimeDE لتحديد جينات DE على طول الوقت الزائف للخلية المستنبطة. يركز PseudotimeDE على توليد معايرة بشكل جيد ص- القيم مع مراعاة عشوائية الزمن الكاذب المستنتج. لتحقيق هذه الأهداف ، يستخدم PseudotimeDE أولاً أخذ عينات فرعية لتقدير عدم اليقين في الوقت الكاذب. ثانيًا ، يناسب PseudotimeDE NB-GAM أو ZINB-GAM لكل من مجموعة البيانات الأصلية ومجموعات البيانات الفرعية المخففة لحساب إحصائية الاختبار وقيمها الفارغة التقريبية. بعد ذلك ، يناسب PseudotimeDE توزيعًا حدوديًا لتقدير التوزيع الفارغ التقريبي لإحصاء الاختبار. أخيرًا ، يحسب PseudotimeDE ص- قيم عالية الدقة. PseudotimeDE مرن لاستيعاب الوقت الكاذب للخلية الذي يتم استنتاجه بتنسيق قياسي بأي طريقة. يسمح استخدامه لـ NB-GAM و ZINB-GAM بالتقاط ديناميكيات التعبير الجيني المتنوعة واستيعاب التضخم الصفري غير المرغوب فيه في البيانات.

تؤكد الدراسات الشاملة حول البيانات المحاكاة والحقيقية أن PseudotimeDE ينتج تحكمًا أفضل في FDR وقدرة أعلى من أربع طرق موجودة (tradeSeq و Monocle3-DE و NBAMSeq و ImpulseDE2). على البيانات المحاكاة ، يولد PseudotimeDE معايرة جيدًا ص- القيم التي تتبع التوزيع المنتظم تحت الفرضية الصفرية ، بينما الأساليب الحالية باستثناء Monocle3-DE لها ص- القيم المخالفة للافتراض الموحد. معايرة بشكل جيد ص- القيم تضمن تحكم FDR صالح في PseudotimeDE. علاوة على ذلك ، بفضل استخدامه للنماذج المرنة NB-GAM و ZINB-GAM ، يتمتع PseudotimeDE بقدرة أعلى من Monocle3-DE ، التي تستخدم نموذجًا أكثر تقييدًا من GLM وبالتالي لديها طاقة أقل. يتفوق PseudotimeDE أيضًا على الطرق الثلاث الأخرى - tradeSeq و NBAMSeq و ImpulseDE2 - التي تولد سوء المعايرة ص- القيم من حيث القوة. في ثلاث مجموعات بيانات حقيقية لـ scRNA-seq ، تتبنى جينات DE التي تم تحديدها بشكل فريد بواسطة PseudotimeDE تفسيرًا بيولوجيًا أفضل كشفت عنه التحليلات الوظيفية ، و ص- تؤدي قيم PseudotimeDE إلى نتائج GSEA أكثر أهمية.

سؤال مثير للاهتمام ومفتوح هو ما هي طريقة استدلال الوقت الكاذب التي تعمل بشكل أفضل مع PseudotimeDE. بينما نلاحظ أن PseudotimeDE تتمتع بقوة أعلى مع Slingshot مقارنة مع Monocle3-PI في دراسات المحاكاة ، فإننا ندرك أن السبب قد يكون مرتبطًا بتصميم المحاكاة (على سبيل المثال ، هياكل النسب) ، وبالتالي ، لا يمكننا استخلاص استنتاج من هذه الملاحظة . نظرًا لتنوع الأنظمة البيولوجية وتعقيد استدلال الوقت الكاذب [9] ، قررنا ترك اختيار طرق استدلال الوقت الكاذب مفتوحًا للمستخدمين ، وهذه هي ميزة كون PseudotimeDE مرنًا لاستيعاب الوقت الزائف المستنتج بأي طريقة. من الناحية العملية ، نشجع المستخدمين على تجربة طرق الاستدلال الزائف الشائعة واستخدام PseudotimeDE كخطوة نهائية لتحديد جينات DE ، حتى يتمكنوا من تحليل نتائج التعريف وتحديد طريقة الاستدلال بالوقت الكاذب الأكثر ملاءمة لمجموعة البيانات الخاصة بهم.

تظل مسألة التضخم الصفري أو "التسرب" محيرة ومثيرة للجدل في مجال الخلية الواحدة [40-44]. يدور الجدل حول ما إذا كانت الأصفار الزائدة التي لا يمكن تفسيرها بواسطة بواسون أو التوزيعات السالبة ذات الحدين ذات معنى بيولوجي أم لا. في مواجهة هذا الجدل ، نقدم نموذجين في PseudotimeDE: NB-GAM و ZINB-GAM ، حيث يتعامل الأول مع الأصفار الزائدة على أنها ذات مغزى بيولوجي بينما الآخر لا. على وجه التحديد ، فإن التوزيع ذي الحدين السالب في NB-GAM مناسب لجميع أعداد التعبير الجيني بما في ذلك الأصفار الزائدة ، في حين أن تركيب التوزيع السلبي في ZINB-GAM يستثني الأصفار الزائدة ، والتي يعاملها ZINB-GAM ضمنيًا على أنها أصفار غير بيولوجية. يسمح PseudotimeDE بالاختيار بين النموذجين ليكون محددًا بواسطة المستخدم أو مدفوعًا بالبيانات. من تحليل البيانات لدينا ، ندرك أن الاختيار يتطلب غالبًا معرفة بيولوجية بمجموعة البيانات لتحليلها. على وجه التحديد ، في مجموعة بيانات الخلايا الجذعية LPS ومجموعة بيانات نضوج خلايا بيتا البنكرياس ، نلاحظ أن ZINB-GAM يؤدي إلى فقد الطاقة: لا يمكن تحديد بعض جينات DE المحتملة بواسطة ZINB-GAM لأن الأعداد الصفرية تحتوي على معلومات مفيدة (ملف إضافي 1: التين . S15-S18). تتسق ملاحظتنا مع دراسة حديثة أخرى [42] ، لاحظ مؤلفوها أن "النماذج الصفرية المتضخمة تؤدي إلى معدلات سلبية خاطئة أعلى من النماذج المتطابقة غير المتضخمة". وبالتالي ، تستند نتائج تحليل البيانات الحقيقية لدينا إلى NB-GAM. ومع ذلك ، وإدراكًا لتعقيد الأنظمة البيولوجية وبروتوكولات scRNA-seq ، فإننا نترك الاختيار بين NB-GAM و ZINB-GAM كخيار لمستخدمي PseudotimeDE ، ونشجع المستخدمين على رسم جينات DE المعروفة كما في الملف الإضافي 1: تين. S15-S18 لتحديد أي من NB-GAM و ZINB-GAM يجسد ديناميكيات التعبير الجيني التي تهمهم بشكل أفضل.

يقتصر التنفيذ الحالي لـ PseudotimeDE على تحديد جينات DE التي لها تغيرات في التعبير داخل سلالة الخلية. بينما يمكن للطرق بما في ذلك GPfates [45] و Monocle2 BEAM [46] و tradeSeq اختبار ما إذا كان تغيير تعبير الجين مرتبطًا بحدث متفرع يؤدي إلى سلالتين ، فإنها لا تأخذ في الاعتبار عدم اليقين في استدلال النسب. إن كيفية حساب عدم اليقين في الهيكل هو سؤال مفتوح صعب ، كما رأينا في التين. 2f و 6b أن السلالة المستنبطة قد تختلف من طوبولوجيا التشعب إلى طوبولوجيا ثلاثية في مجموعات فرعية مختلفة من الخلايا. الاتجاه المحتمل هو استخدام الاستدلال الانتقائي [47 ، 48] ، وسنترك التحقيق في هذا السؤال للبحث في المستقبل. نظرًا لمشكلة عدم اليقين في الهيكل ، فإن PseudotimeDE هو الأنسب لبيانات التعبير الجيني أحادي الخلية التي تحتوي على سلالة خلية واحدة فقط (بما في ذلك البيانات الدورية) أو عددًا صغيرًا من سلالات الخلايا المفصولة جيدًا (على سبيل المثال ، التشعب والتشعب). والسبب هو أن هذه البيانات يمكن أن تحافظ على طوبولوجيا الخلية المستنبطة المستقرة بعد أخذ عينات فرعية ، وهو مطلب أساسي لـ PseudotimeDE. ومع ذلك ، لم يتم تصميم PseudotimeDE للبيانات التي تحتوي على العديد من سلالات الخلايا الملتبسة أو التسلسل الهرمي للخلية المعقدة ، والبيانات التي لا يمكنها الحفاظ على طوبولوجيا الخلية المستنبطة المستقرة عبر العينات الفرعية ، لأنه في مثل هذه البيانات ، من الصعب العثور على تطابقات فردية بين الخلية السلالات المستنتجة من عينة فرعية وتلك التي تم استنتاجها من البيانات الأصلية. بعد ذلك ، يتمثل الحل العملي لمثل هذه البيانات في تحديد سلالة الخلية ذات الأهمية ثم تطبيق PseudotimeDE على الخلايا المخصصة لهذا النسب فقط.

هناك أسئلة أخرى مفتوحة ليتم استكشافها. السؤال المهم هو: متى نريد تحديد جينات DE على طول الوقت الكاذب؟ كما أظهرنا في قسم "النتائج" ، يمكن أن يكون الوقت الكاذب المستنتج غير مؤكد بدرجة كبيرة. نظرًا لأن علماء الأحياء غالبًا ما يتسلسلون الخلايا في نقاط زمنية فيزيائية متعددة إذا كانوا يريدون التحقيق في عملية بيولوجية ، فإن التحليل المباشر هو تحديد جينات DE التي يتغير التعبير عنها عبر النقاط الزمنية الفيزيائية. بعد ذلك ، لدينا تعريفان لجينات DE: الجينات التي يتغير تعبيرها عبر الزمن الكاذب مقابل الوقت المادي. إن فهم التعريف الأكثر ملاءمة من الناحية البيولوجية هو سؤال مفتوح. سؤال آخر هو ما إذا كان من الممكن دمج الوقت الكاذب مع الوقت المادي لتحديد جينات DE ذات الصلة بيولوجيًا. تتطلب الإجابة على أي من السؤالين صياغة إحصائية مرتبطة مباشرة بسؤال بيولوجي.

سؤال آخر هو كيفية استكشاف الارتباطات الجينية على طول الخلية الزائفة. تكتشف طرق DE الحالية فقط تغييرات التعبير الجيني الهامشي ولكنها تتجاهل الارتباطات الجينية الجينية. لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت الارتباطات الجينية للجينات مستقرة أو متغيرة على طول الزمان الكاذب للخلية. ومن ثم ، فإن طريقة إحصائية جديدة لاكتشاف تغيرات الارتباط الجيني على طول الوقت الكاذب المستنتج قد تقدم رؤى بيولوجية جديدة في التعبير الجيني المشترك والتنظيم بدقة الخلية المفردة.


4 - نتائج

PROSSTT يحاكي بيانات تسلسل scRNA لعمليات التمايز المعقدة. تشبه التصورات منخفضة الأبعاد التي تنتجها أدوات إعادة بناء الأشجار تلك الموجودة في مجموعات البيانات الحقيقية. أصبحت مجموعات البيانات المعقدة بشكل متزايد مع الحقيقة البيولوجية الأساسية غير مؤكدة متاحة. يمكن أن تساعد PROSSTT في تطوير الأساليب التي يمكنها إعادة بناء مثل هذه الأشجار المعقدة من خلال تسهيل تقييمها الكمي. علاوة على ذلك ، تسمح الطبيعة المعيارية للبرنامج بامتدادات سهلة ، على سبيل المثال ، يمكن أن يعمل PROSSTT على اختبار تأثير نماذج الضوضاء وإعطاء رؤى بيولوجية حول كيفية نمذجة وتفسير بيانات scRNA-seq.


ملاحظات حول التمايز الخلوي | بيولوجيا الخلية

التمايز هو العملية التي يتم من خلالها تنشيط الجينات بشكل تفضيلي واستخدام المنتجات الجينية لإحداث بعض التغييرات المظهرية في الخلية. إنها ليست الخاصية الوحيدة للكائنات متعددة الخلايا. تخضع العديد من الكائنات وحيدة الخلية لتغيرات نمطية مع تغيرات في العمليات الفسيولوجية.

يمكن أن يخضع أي تغيير في بيئة الكائنات أحادية الخلية أو الكائنات الخجولة سواء كان ذلك فيزيائيًا أو على مستوى المغذيات لتغيرات خلوية فيزيائية ملحوظة مثل تكوين أنواع مختلفة من الأبواغ والأبواغ في البكتيريا والفطريات وما إلى ذلك.

هذه مثال على التمايز الخلوي في الكائنات وحيدة الخلية. التمايز الذي لوحظ في الكائنات الحية الأعلى أو الخجولة ، خاصة الحيوانات ، مختلف ومعقد. لقد اجتذبت علماء الأحياء التطوريين والخجولين لدراسة تطور الجنين من خلية واحدة ، أي البيضة الملقحة.

تتم هذه العملية في عدة خطوات:

أنا. التخصيب:

ثانيا. انقسام:

تطوير البيضة الملقحة لتشكيل بلاستولا (مجموعة من الخلايا غير المتمايزة).

ثالثا. الجضم:

تمايز الخلايا وتحريكها وخجلها لتكوين طبقات خلايا متخصصة.

رابعا. التفاضل:

تطوير الخلايا المتخصصة إلى أنسجة وأعضاء ونمو الجنين.

الخامس. نمو وصيانة وتجديد بعض الخلايا.

التغيرات الجزيئية أثناء تكون البويضات والتخصيب:

تُعرف عملية تكوين الأمشاج الأنثوية باسم تكوين البويضات. تسمى الخلايا الجرثومية البدائية oogonia. عندما تبدأ oogonia بالانقسام الاختزالي فإنها تسمى البويضات حيث تحدث مرحلة نمو ممتد وخجول.

خلال مرحلة النمو هذه للبويضة ، يحدث عدد كبير من التغيرات الأيضية والشكلية.

أنا. تم العثور على زيادة في تخليق الحمض النووي الريبي - جنبًا إلى جنب مع التغيرات الشبيهة بالعديد من الأشكال في الكروموسوم.

ثانيا. يحدث تضخيم جينات الريبوسوم مما يؤدي إلى زيادة تخليق الحمض النووي الريبي الريبوزومي. التغيرات الخلوية المصاحبة هي حدوث العديد من النوى والشيولي في النواة.

ثالثا. يزداد حجم النواة مما يشير إلى التغيرات الأيضية للنواة.

رابعا. يحدث تراكم البروتين والدهون والكربوهيدرات والشيهيدرات والتي سيتم استخدامها أثناء تكوين الجنين. في الحيوانات الأعلى ، يتم إنتاج جميع هذه العناصر الغذائية بواسطة خلايا الكبد والجريب في البويضة النامية. ومع ذلك ، فإن البويضات في الثدييات لا تتراكم بروتينات الصفار لأنها تأتي من خلال مجرى دم الأم ، وبالتالي فإن تخزين العناصر الغذائية ليس ضروريًا هنا.

v. في البويضات غير الثديية ، يوجد عدم تناسق في القطبية أثناء تطورها. يسمى أحد طرفي الخلية بالقطب النباتي الذي يحتوي على معظم العناصر الغذائية وصفائح الصفائح الدموية. يسمى الطرف الآخر عمود الحيوان الذي يحتوي على الريبوسومات والميتوكوندريا إلى جانب النواة.

يتم تطوير الجنين في هذه النهاية. بعد هذه التغييرات التنموية ، يحدث الانقسام الاختزالي في البويضة لإنتاج بويضة ناضجة وهي خلية متخصصة شديدة التباين.

تكوين الحيوانات المنوية - الحيوانات المنوية:

زيادة عددهم عن طريق الانقسام ثم يخضع للانقسام الاختزالي لتكوين الحيوانات المنوية. التغيرات الخلوية والجزيئية الأخرى ليست مهمة مثل تكون البويضات. تم العثور على تغييرات كبيرة بعد الإخصاب أثناء نمو الجنين.

دور السيتوبلازم في التمايز الخلوي:

تم إثبات أهمية السيتوبلازم في تباين الخلايا وتخلخلها في عدد كبير من التجارب.

تنتج بيضة الحلزون هيكلًا شبيهًا بالفص في الطرف النباتي أثناء تمايز الخلايا وتكوينها المعروف باسم الفص القطبي. إذا تم استئصال هذا الفص ، يتم إنتاج جنين معيب. مرة أخرى ، يتم إنتاج منطقة ملونة في بيضة البرمائيات أثناء تمايز الخلايا بعد الإخصاب. وهذا ما يعرف بالهلال الرمادي. إذا أصيب الهلال الرمادي فإنه يتسبب في حدوث شذوذ في الجهاز العصبي.

في حالة بيضة البرمائيات ، إذا كان الانقسام الأول عموديًا على الهلال الرمادي وتم فصل قسيم أرومي الناتج ، سينتج كل قسيم أرومي حيوانًا طبيعيًا. ولكن إذا حدث الانقسام بالتوازي مع الهلال الرمادي وإذا تم فصل القسيمتين المتفجرتين - فإن الذي له هلال رمادي سينتج حيوانًا طبيعيًا. وبالتالي فإن تمايز الخلية يعتمد على تقسيم المواد في السيتو والشيبلازم.

تم إجراء ملاحظة أخرى في حالة التطور الجنيني لبيضة الدودة المستديرة ، الأسكاريس. أثناء تطور الجنين ، يحدث الانقسام الأول عموديًا على المحور النباتي للحيوان.

عندما يبدأ القطب الحيواني للقسيم الأرومي الجديد بالانقسام ، يتحلل الجزء غير المتجانس من الكروموسوم. يتم تجزئة الجزء المتساوي اللون من الكروموسوم إلى العديد من الكروموسومات الصغيرة من خلال عملية تعرف باسم تناقص الكروموسوم.

وهكذا يحدث تناقص الكروموسوم أثناء التطور الجنيني والخجل. الآن قام تيودور بوفيري بعمل تجربة وخجل حيث يتم طرد البيض قبل الانقسام من أجل إزعاج قطبية الخلية.

عن طريق الطرد المركزي ، يحدث خليط كل من السيتوبلازم الحيواني والنباتي ويحدث الانقسام الأول على طول المحور النباتي للحيوان وليس بشكل عمودي عليه. لا يحدث نقص في الكروموسوم - وهذا يشير إلى دور السيتوبلازم في السلوك الكروموسومي.

مرة أخرى ، في حالة التطور الجنيني لـ Drosophila ، تنشأ الخلايا الجرثومية البدائية عمومًا من الطرف الخلفي للبويضة. قام Illmensee و Mahowald بإجراء تجربة عن طريق إزالة بعض السيتوبلازم من النهاية الخلفية لبيضة ذبابة الفاكهة وحقنها في النهاية الأمامية لبيضة أخرى. وقد لوحظ أن السقوف الجرثومية يتم إنتاجها بعد ذلك من الطرف الأمامي للبويضة المحقونة.

وبالتالي يمكن القول أن السيتوبلازم له دور مهم في إحداث التمايز في الخلايا. كما لوحظ دوره في الخلايا البالغة. عندما يتم حقن النوى غير النشطة من كريات الدم الحمراء الناضجة في سيتوبلازم الخلايا النشطة ، تصبح النوى غير النشطة نشطة نسبيًا.

كما لوحظ تأثير مماثل في أنواع أخرى من الخلايا. كل هذه النتائج تكشف بوضوح أن العوامل السيتوبلازمية هي المسؤولة عن تمايز الخلايا. ولكن في حالة الثدييات ، تكون الخلايا الجنينية كاملة القدرة بعد انقسام الانقسام الأول حتى نمو الجنين.

وقد تم إثبات ذلك من خلال فصل جنين الفأر أو الأرنب عند مرحلة 8 أو 16 خلية. يؤدي كل قسيم أرومي إلى ظهور الكيسة الأريمية إذا تم توفير الظروف الثقافية المناسبة وستشكل هذه الأكياس الأريمية حيوانًا طبيعيًا بعد الانغراس في رحم أنثى جرذ أخرى. ترجع خاصية توتال خلية البويضة إلى تجانس السيتوبلازم.

تم إثبات الاحتفاظ بالقدرة الكاملة بواسطة خلية فردية في حالة أنظمة النبات. يمكن زراعة أي خلية من أي جزء من النبات في مزرعة حيث تشكل في البداية كتلة الأنسجة غير المتمايزة ، والمعروفة باسم الكالس.

يمكن إعادة إنتاج هذا الكالس إلى نبات كامل إذا تم استكمال التركيز المناسب للهرمون في الوسائط. لكن الخلايا الحيوانية المفردة بعد الانقسام الأول لن تشكل حيوانًا كاملاً حتى لو تم إعطاء العناصر الغذائية المناسبة والظروف الأخرى في المزرعة.

تم توضيح القدرة الكاملة الجينية للخلية الحيوانية من قبل جون جوردون في تجربة الزرع النووي في الضفدع الذي يوضح أن كل خلية تمتلك جميع الجينات المطلوبة لتطوير الكائن الكامل أو الخجول.

لا يزال التطور أو التمايز في الكائن الحي كله لم يكن في أنظمة الحيوان والشيتم. وهكذا اعتقد الباحثون أن نمط التعبير الجيني في كل نوع خلية مختلف ، على الرغم من وجود جميع الجينات في كل خلية. لذلك نرى أن التحكم في التعبير الجيني في الكائنات الحية الأعلى ، وخاصة الحيوانات ، أمر معقد للغاية.

بعبارة أخرى ، يتم تنظيم العديد من أنواع التعديلات اللاحقة للنسخ للنسخة الأولية والشيمارية للجين في تكوين منتج الجين الوظيفي النهائي الضروري لتمايز أو تطوير خلية معينة.

يتم استخدام نموذجين من الكائنات الحية لدراسة الجينات المحددة المشاركة في التطور الخلوي الجزيئي والشيلي. أحدهما هو الدودة المستديرة والدودة الخجولة ، Caenorhabditis elegans ، والأخرى هي ذبابة الفاكهة ، C. elegans.

تستخدم هذه كنموذج في علم الوراثة التنموي للأسباب التالية:

أنا. دورة حياة قصيرة (3 أيام).

ثانيا. سهولة الصيانة مثل الإشريكية القولونية.

ثالثا. يمكن أن تتكاثر بنفسها أو عن طريق التلقيح المتبادل.

رابعا. Hermaphrodite (XX) - يحتوي على 5 أزواج من الجسيمات الذاتية وزوج واحد من الكروموسومات X.

v. الذكر (XO) يحتوي على 5 أزواج من auto & shysomes وكروموسوم X واحد.

السادس. يبلغ جينوم Haploid حوالي 8 × 10 7 نقطة أساس.

السابع. تم تحديد أكثر من 600 جين.

ثامنا. من السهل الحصول على مجموعات متماثلة اللواقح ، حيث يمكن التخصيب الذاتي.

التاسع. التكاثر في الداخل هو تلقائي في السكان خنثى.

x. يمكن تحويل الحمض النووي من خلال microinjec & shytion في المرحلة المختارة من التطور في هذا الحيوان.

ينتج الجهاز التناسلي للحيوان الخنثى والشيديت بنية ثنائية الفصوص في المراحل الأولى من التطور. تبدأ البويضات والأجنة في كل فص بالتطور من النهاية البعيدة إلى الرحم. يمكن اكتشاف جميع المراحل بسهولة وبالتالي يمكن إجراء الحقن المجهري للحمض النووي في مرحلة محددة من التطور.

عمل آخر مهم على ذبابة الفاكهة جعل اكتشاف فئة جديدة من الجينات تسمى الجينات المثلية. تم التعرف على هذه الجينات من خلال الطفرات حيث يتم استبدال جزء واحد من الجسم ببنية موجودة في مكان آخر. يحدث هذا الشيء غير المعتاد أثناء نمو الجنين. تؤدي طفرات الجين المثلي (Antp) إلى تكوين أرجل وسطى بدلاً من هوائي ذبابة الفاكهة.

أدى التحليل الجزيئي للجين المثلي إلى اكتشاف تسلسل 180 نقطة أساس في الجينات المثلية الأخرى. يُعرف هذا التسلسل باسم Homeobox. نظرًا لوجود homeobox في الحيوانات الأعلى أيضًا ، فقد تم إجراء استنساخ الجينات وتسلسلها من الفئران إلى الإنسان. تم العثور على وظيفة هذه الجينات لتكون هي نفسها كما في ذبابة الفاكهة.

يتم التعبير عن جينات homobox في خلايا شديدة التباين في حالة البرمائيات والثدييات. تم العثور على جينات المنزل و shyobox تلعب دورًا مهمًا للغاية في عمليات النمو ويتم الحفاظ عليها بشكل كبير أثناء التطور.

الجينات المتجانسة للتمايز الخلوي:

During embryonic development in Drosophila, the identification of different segments of the body has been found to be under the control of many genes. Two complexes of these genes have been identified in Drosophila.

One is Antennapedia Complex (ANT-C) located in the chromosomal position 84AB. Another group of genes is known as Bi-thorax complex (BX-C) located at chromosomal position 89E. The first group (ANT-C) is responsible for the develop­ment of the head and thoracic segments while the BX-C are responsible for the development of the trunk segments.

The analysis of this homeotic complex has been done in Beetle also. One of the important features of these genes is the large size—about 50 to 100 kb and very large introns. The next important feature is the presence of con­served region, i.e., Homeobox.

The homeobox generally codes for a DNA binding protein domain, whose product binds to DNA. Another important characteristic is the presence of cis- acting regulatory regions.

Cellular differentiation, pattern formation and morphogenesis were studied in detail in case of plant Arabidiopsis as model system. It involves some factors which help in causing different cell types, organs etc. to originate at specific locations. This is also done by cell shape changes and planes of cell division. Cell differentiation is clearly noted during embryo- genesis.

Different and molecular observations were studied in maize and rice in case of monocotyledonous plants. In dicots, several genes involved in storage proteins have been cloned and their expressions noted in Soybean. However, detailed studies have been done in Crucifers, particularly in Arabidiopsis thaliana, in identifying embryo developmental genes but mutagenesis.

Arabidopsis has been accepted as a model system in having the following criteria:

أنا. Small size of the plant.

ثانيا. Small size of the nuclear genome.

رابعا. Self-fertilizing bisexual flowers.

v. Large number of progeny in each flower.

السادس. Starchy endosperm is absent.

Molecular studies show that a number of genes are involved during early and late stage embryogenesis in both zygote and somatic em­bryo. Different cell division patterns have been noted in somatic embryos. Many pattern genes have been identified in Arabidopsis through mutagenesis, which show seedling abnormali­ties.

These mutants were named gnom (gn), affecting the apical and basal region, gurke (gk) affecting the apical region, faeckel (fx) affecting the central part of the seedling. There is the other mutants which change the shape of the seedling.

Several methods have been used for cloning pattern genes which has been used as an in­serted probe to isolate the flanking DNA in Arabidopsis. T-DNA tagging approach is used to clone the first embryo pattern gene of Ara­bidopsis. The study of plant developmental genetics and cell differentiation have been changed con­siderably with the isolation of several mutant phenotypes and biochemical mutants in Ara­bidiopsis.

More than 500 embryo-defective mutants and many mutants showing aberration in vegetative development have been analysed in Arabidiop­sis. Arabidiopsis Biological Resource Centre has been established in the Ohio State Univer­sity for the supply of mutant seeds and DNA.

Some of these mutants have been found to alter in basic cellular functions necessary for normal growth and development, i.e., the function of ‘house-keeping genes’.

The molecular basis of these mutants have also been studied to find out the relationship between gene function and nor­mal development. The first known biochemical mutant noted in Arabidiopsis is bio I auxotroph (mutant 122 G-E).

This mutant bio I stops growth of the embryo at the heart stage of development but shows normal growth when biotin is added in the medium. The normal bio-synthetic pathway of biotin in bacteria is shown in Fig. 19.1.

It has been noted that bio I mutants were defective in the synthesis of 7, 8- diaminopelargonic acid from 7-keto 8 diaminopelargonic acid. This step is regulated in bacteria by bio A gene. When the bio A gene from bacteria is introduced into the bio I mutant plants, the transgenic plants do not require biotin for their growth.

Thus this experiment has shown that a plant mutant can be recovered to normal by the introduction of cloned bacterial gene.

Another mutant ‘gnom’ or emb 30 shows another type of defect in basic cellular function. Meinke (1985) first observed the morphologi­cal structure as fused cotyledons and rootless plants which can be grown in culture. He also identified the first allele (112A-2A) of this mutant.

Many other alleles have been identified in other laboratories. This mutant and other embryo-defective mutants showed alterations in embryonic pattern formation and altered pattern of cell division during embryo development.

DNA sequence analysis of this mutant (EMB 30) shows homology with the SEC 7 gene of yeast which helps in the protein transport from the Golgi, indicating its role in transporting some proteins to the cell surface. It may also have an alteration in the signal transduction pathway.

Another interesting mutant is ‘fusca’ which shows insufficient accumulation of anthocyanin in developing cotyledons. Seeds of this mutants germinate to produce defective seedling which fail to complete the life cycle. Sev­eral genes of ‘fusca’ mutants have now been cloned and sequenced. These are: FUSI/COPI FUS2/DETI, FUS6/COP11, FUS7/COP9 etc.’ These genes encode some novel proteins.

The product of COPI gene has N-terminal zinc binding domain and a C-terminal domain which shows homology with the B-sub-unit of G” proteins. Again, the sequence of FUS6 gene shows similarity with that of human gene GPSI. Thus, it can be said that G proteins also play an important role in signal transduction pathways of plants.

The pattern formation and morphogenesis go hand in hand during development in multicel­lular organisms. Cyto differentiation is nothing but a division of labour between component cells. During cyto differentiation, some alter­ations in the biochemical and structural prop­erties occur leading to functional specialisation.

In the developmental stage the formation of cell diversity is the process of cell pattern or shape formation where positional information determines the final development of a cell. In the plant systems, the presence of any devel­opmental memory has not been clearly pointed out.

But the involvement of some localised activ­ity of specific regulatory proteins in Cyto differentiation and development has been estab­lished. It has been observed that the de­velopment of floral organs in Arabidiopsis is regulated by some genes encoding transcription factors.

The generation of individual cell types within an organ is dependent on the cell autonomous expression of regulatory molecules. Larkin (1993) has shown the role of transcription factors in trichome differentiation.

The mutational studies have shown that mutations in a specific gene can inhibit the development of individual cellular domains, keeping the other domains normal. For example, monopteros mu­tation shows no development of hypocotyl and root but the shoot meristems and cotyledons are not affected.

But there are some mutants like emb 30/gnom, hydra/fuss rootless and ‘monopteros’ which show defective shape and also abnormalities in cell differentiation, par­ticularly in vascular tissue organisation.

That means the respective gene products are es­sential both for morphogenesis and cellular differentiation. Thus, the relative positioning of cells in plant development is very important to continue the cell-cell signalling events during morphogenesis.


Simulation of Stimulation: Cytokine Dosage and Cell Cycle Crosstalk Driving Timing-Dependent T Cell Differentiation

Triggering an appropriate protective response against invading agents is crucial to the effectiveness of human innate and adaptive immunity. Pathogen recognition and elimination requires integration of a myriad of signals from many different immune cells. For example, T cell functioning is not qualitatively, but quantitatively determined by cellular and humoral signals. Tipping the balance of signals, such that one of these is favored or gains advantage on another one, may impact the plasticity of T cells. This may lead to switching their phenotypes and, ultimately, modulating the balance between proliferating and memory T cells to sustain an appropriate immune response. We hypothesize that, similar to other intracellular processes such as the cell cycle, the process of T cell differentiation is the result of: (أنا) pleiotropy (pattern) and (ثانيا) magnitude (dosage/concentration) of input signals, as well as (ثالثا) their timing and duration. That is, a flexible, yet robust immune response upon recognition of the pathogen may result from the integration of signals at the right dosage and timing. To investigate and understand how system's properties such as T cell plasticity and T cell-mediated robust response arise from the interplay between these signals, the use of experimental toolboxes that modulate immune proteins may be explored. Currently available methodologies to engineer T cells and a recently devised strategy to measure protein dosage may be employed to precisely determine, for example, the expression of transcription factors responsible for T cell differentiation into various subtypes. Thus, the immune response may be systematically investigated quantitatively. Here, we provide a perspective of how pattern, dosage and timing of specific signals, called interleukins, may influence T cell activation and differentiation during the course of the immune response. We further propose that interleukins alone cannot explain the phenotype variability observed in T cells. Specifically, we provide evidence that the dosage of intercellular components of both the immune system and the cell cycle regulating cell proliferation may contribute to T cell activation, differentiation, as well as T cell memory formation and maintenance. Altogether, we envision that a qualitative (pattern) and quantitative (dosage) crosstalk between the extracellular milieu and intracellular proteins leads to T cell plasticity and robustness. The understanding of this complex interplay is crucial to predict and prevent scenarios where tipping the balance of signals may be compromised, such as in autoimmunity.

الكلمات الدالة: (memory) T cell differentiation CDK MAmTOW autoimmunity cell cycle cytokine activation timing cytokine dosage p27Kip1.

الأرقام

T cell fate upon TCR activation and CD28 stimulation. (أ) Successful activation of…

Experimental design for establishing cytokine…

Experimental design for establishing cytokine requirement for differentiation to effector and memory T…

Cytokine dosage and administration timing…

Cytokine dosage and administration timing impact T cell fate. (أ) After activation, cytokines…

Role of the cyclin-dependent kinase…

Role of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27 Kip1 in memory T cell formation.…

Variability in protein dosage impacts…

Variability in protein dosage impacts system’s robustness. (أ) Protein expression may oscillate over…


Cell-based simulations of Notch-dependent cell differentiation on growing domains

Notch signalling controls cell differentiation and proliferation in many tissues. The Notch signal is generated by the interaction between the Notch receptor of one cell with the Notch ligand (Delta or Jagged) of a neighbouring cell. Therefore, the pathway requires cell-cell contact in order to be active. During organ development, cell differentiation occurs concurrently with tissue growth and changes in cell morphology. How growth impacts on Notch signalling and cell differentiation remains poorly understood. Here, we developed a modelling environment to simulate Notch signalling in a growing tissue. We use our model to simulate the differentiation process of pancreatic progenitor cells. Our results suggest that Notch-mediated differentiation in the developing pancreas is first mediated by geometric effects that result in loss of Notch signalling on the tissue boundary, leading to the differentiation of tip versus trunk cells. A second wave of differentiation further happens in the trunk cells due to a reduction in the expression of the ligand مسنن, which has been shown to be controlled by signalling factors secreted from the surrounding mesenchyme. Our results bring new insights into how cells coordinate tissue growth with cell fate specification during organ development.


2 Description

To simulate exponentially growing populations, DIFFpop uses the direct Stochastic Simulation Algorithm ( Gillespie, 1977) to advance the simulation by first determining the time until the next event followed by a stochastic choice of the type of event taking place. For fixed-size populations, DIFFpop simulates a multi-type modified Moran model using tau-leaping ( Gillespie, 2001) with the introduction of differentiation events, whereby events are coupled together to maintain fixed population sizes for instance, a mitosis event generating an additional cell is followed by a differentiation or apoptosis event to eliminate a cell. In both simulation scenarios, when a mitosis event occurs, one daughter cell may mutate to produce a new clone with probability u i ⁠ , where i is the population of the parent cell. In such situations, new clones are formed according to the infinite allele assumption ( Pakes, 1989), and the parameter for the change in fitness of the new clone is randomly chosen from a user-specified fitness distribution. As a default, fitness changes are drawn from a normal distribution such that the lower bound for the fitness of any clone is 0.

The flexible nature of the package allows the user to customize the process, easily change the underlying differentiation structure, parameters and distributions, and achieve updated results. The hierarchical structure, population types and attributes and event rates are specified using functions in R, allowing the user to quickly create multiple possible trees and implement simulations of each. Users may also vary the selective pressures at work in the cell populations by specifying population-level mutation rates and the distribution from which fitness changes of mutated cells are drawn. Setting the mutation probabilities to zero results in a process in which no new clones appear. Allowing for a positive mutation probability but setting the passenger probability, the probability that a mutation does not affect a clone’s fitness, to 1 simulates the infinite-allele process where mutations are recorded, but due to a lack of variability in fitness are selectively neutral ( McDonald and Kimmel, 2015). After simulation initiation, no new barcodes are created, and therefore the maximum total number of barcodes is set at the initiation of the simulation, allowing for the calculation of diversity indices to compare populations with different model settings.


Differentiation and the Fate of Cells

This animation describes the formation and fates of the three germ layers in a human embryo.

All cells in the human body originate from a group of embryonic stem cells called the inner cell mass (ICM), which is formed during an early stage of development called the blastocyst. As shown in the animation, the fates of these cells become more restricted and specialized as development progresses. In a later stage of development called the gastrula, the cells differentiate to form three germ layers: the ectoderm, the mesoderm, and the endoderm. Each layer gives rise to specific tissues with increasingly specialized cells.

This animation is a clip from a 2006 Holiday Lecture Series, Potent Biology: Stem Cells, Cloning, and Regeneration. Depending on students’ background, it may be helpful to pause the animation at various points to discuss different steps in the developmental process.

تفاصيل

blastocyst, cell division, ectoderm, embryonic stem cell, endoderm, gastrulation, germ layer, inner cell mass (ICM), mesoderm

يرجى الاطلاع على شروط الاستخدام للحصول على معلومات حول كيفية استخدام هذا المورد.


شاهد الفيديو: Replikacija (شهر نوفمبر 2022).