人工智能開啟生物學新領域
加州大學圣地亞哥分校的研究人員介紹了多尺度集成細胞 (MuSIC)，這是一種結合顯微鏡、生物化學和人工智能的技術，揭示了以前未知的細胞成分，可能為人類發育和疾病提供新線索。（藝術家的概念圖。）圖片來源：加州大學圣地亞哥分校健康科學
基于人工智能的技術揭示了以前未知的細胞成分，可能為人類發育和疾病提供新線索。
大多數人類疾病都可以追溯到細胞的故障部分——例如，腫瘤之所以能夠生長是因為基因沒有準確地轉化為特定的蛋白質，或者是因為線粒體不能正常激發而出現代謝疾病。但要了解細胞的哪些部分會在疾病中出現問題，科學家首先需要有一個完整的部分列表。
通過將顯微鏡、生物化學技術和人工智能相結合，加州大學圣地亞哥分校醫學院的研究人員和合作者已經采取了他們認為可能在理解人體細胞方面取得重大進展的成果。
該技術被稱為多尺度集成單元 (MusIC)，于 2021 年 11 月 24 日在Nature 雜志上進行了描述。
“如果你想象一個細胞，你可能會在細胞生物學教科書中描繪出彩色的圖表，包括線粒體、內質網和細胞核。但這就是故事的全部嗎？絕對不是，”加州大學圣地亞哥醫學院和摩爾癌癥中心教授 Trey Ideker 博士說。“科學家們早就意識到，我們不知道的比我們知道的要多，但現在我們終于有辦法更深入地研究了。”
Ideker 與瑞典斯德哥爾摩 KTH 皇家理工學院和斯坦福大學的 Emma Lundberg 博士一起領導了這項研究。
左圖：經典的教科書單元圖意味著所有部分都清晰可見并已定義。（來源：OpenStax/維基媒體）。右圖：由 MuSIC 技術生成的新細胞圖揭示了許多新組件。金色節點代表已知單元組件，紫色節點代表新組件。節點的大小反映了該組件中不同蛋白質的數量。學分：加州大學圣地亞哥分校健康科學
在試點研究中，MuSIC 揭示了人類腎細胞系中包含的大約 70 種成分，其中一半以前從未見過。在一個例子中，研究人員發現了一組形成不熟悉結構的蛋白質。他們與加州大學圣地亞哥分校的同事 Gene Yeo 博士合作，最終確定該結構是一種結合RNA的新蛋白質復合物。該復合物可能參與剪接，這是一種重要的細胞事件，可以將基因翻譯成蛋白質，并有助于確定哪些基因在何時被激活。
細胞內部——以及在那里發現的許多蛋白質——通常使用以下兩種技術之一進行研究：顯微鏡成像或生物物理關聯。通過成像，研究人員將各種顏色的熒光標簽添加到感興趣的蛋白質中，并在顯微鏡的視野中跟蹤它們的運動和關聯。為了研究生物物理關聯，研究人員可能會使用一種特定于蛋白質的抗體將其從細胞中拉出，看看還有什么附著在它上面。
多年來，該團隊一直對繪制細胞內部運作圖感興趣。MuSIC 的不同之處在于使用深度學習直接從細胞顯微鏡圖像中映射細胞。
“這些技術的結合是獨特而強大的，因為這是第一次將不同尺度的測量結果結合在一起，”該研究的第一作者、Ideker 實驗室的生物信息學和系統生物學研究生 Yu Qin 說。
顯微鏡可以讓科學家看到一個微米的水平，大約是一些細胞器的大小，比如線粒體。較小的元素，例如單個蛋白質和蛋白質復合物，無法通過顯微鏡看到。從單一蛋白質開始的生物化學技術使科學家能夠深入到納米尺度。（一納米是一米的十億分之一，或一微米的 1/1,000。）
“但是你如何彌合從納米到微米尺度的差距？長期以來，這一直是生物科學的一大障礙，”Ideker 說，他也是加州大學癌細胞圖計劃和加州大學圣地亞哥計算生??物學和生物信息學中心的創始人。“事實證明，你可以使用人工智能來做到這一點——查看來自多個來源的數據，并要求系統將其組裝成細胞模型。”
該團隊訓練了 MuSIC 人工智能平臺來查看所有數據并構建細胞模型。該系統尚未將單元格內容映射到特定位置，例如教科書圖表，部分原因是它們的位置不一定是固定的。相反，組件位置是流動的，并且會根據細胞類型和情況而變化。
Ideker 指出，這是一項測試 MuSIC 的試點研究。他們只研究了 661 種蛋白質和一種細胞類型。
“明確的下一步是吹過整個人體細胞，”艾德克說，“然后轉移到不同的細胞類型、人和物種。最終，通過比較健康細胞和患病細胞之間的差異，我們或許能夠更好地了解許多疾病的分子基礎。”
參考：
Yue Qin、Edward L. Huttlin、Casper F. Winsnes、Maya L. Gosztyla、Ludivine Wacheul、Marcus R. Kelly、Steven M. Blue、Fan 的“融合蛋白質圖像和相互作用的細胞結構多尺度圖”鄭、Michael Chen、Leah V. Schaffer、Katherine Licon、Anna B?ckstr?m、Laura Pontano Vaites、John J. Lee、Wei Ouyang、Sophie N. Liu、Tian Zhang、Erica Silva、Jisoo Park、Adriana Pitea、Jason F. Kreisberg、 Steven P. Gygi、Jianzhu Ma、J. Wade Harper、Gene W. Yeo、Denis LJ Lafontaine、Emma Lundberg 和 Trey Ideker，2021 年 11 月 24 日，自然。
DOI: 10.1038/s41586-021-04115-9
合著者包括：Maya L. Gosztyla、Marcus R. Kelly、Steven M. Blue、Fan Zheng、Michael Chen、Leah V. Schaffer、Katherine Licon、John J. Lee、Sophie N. Liu、Erica Silva、Jisoo Park、 Adriana Pitea，Jason F. Kreisberg，加州大學圣地亞哥分校；Edward L. Huttlin、Laura Pontano Vaites、Tian Zhang、Steven P. Gygi、J. Wade Harper，哈佛醫學院；Casper F. Winsnes, Anna B?ckstr?m, Wei Ouyang，KTH 皇家理工學院；Ludivine Wacheul，Denis LJ Lafontaine，布魯塞爾自由大學；和北京大學的馬建竹。
這項研究的部分資金來自美國國立衛生研究院（贈款 U54CA209891、U01MH115747、F99CA264422、P41GM103504、R01HG009979、U24HG006673、U41HG009889、R01HL137223、R01HL137223、R01HG004659、Google Venturesnut 和愛麗絲-阿麗斯森家族基金會）瓦倫堡基金會（贈款 2016.0204）、瑞典研究委員會（贈款 2017-05327）、比利時科學基金會、布魯塞爾自由大學、歐洲罕見疾病聯合計劃、瓦隆地區、國際 Brachet 基金會和 Epitran COST 行動（贈款 CA16120 ）。
披露：Trey Ideker 是科學顧問委員會的聯合創始人，并擁有 Data4Cure, Inc. 的股權。Ideker 也是科學顧問委員會的成員，擁有 Ideaya BioSciences, Inc. 的股權并獲得贊助的研究資金。 Gene Yeo 是科學顧問委員會的聯合創始人、董事會成員、Locanabio 和 Eclipse BioInnovations 的股東和付費顧問。Yeo 還是新加坡國立大學的客座教授。這些安排的條款已經過加州大學圣地亞哥分校根據其利益沖突政策進行審查和批準。Emma Lundberg 是 Cartography Biosciences、Nautilus Biotechnology 和 Interline Therapeutics 的科學顧問委員會成員，并擁有股權。J。Wade Harper 是科學顧問委員會的聯合創始人，擁有 Caraway Therapeutics 的股權。Harper 還是 Interline Therapeutics 的創始科學顧問。