每個生物都始于一個細(xì)胞，其后不斷分裂。在被稱為細(xì)胞分化的過程中，細(xì)胞會分裂成為特殊的細(xì)胞，如心臟細(xì)胞、骨骼細(xì)胞或腦細(xì)胞等。要了解沿著分化路徑發(fā)育的細(xì)胞內(nèi)外部線索，科學(xué)家可以對其進(jìn)行 RNA 測序。但對某些細(xì)胞來說，進(jìn)行 RNA 測序效果并不理想，因為這些細(xì)胞通常處于不同的發(fā)育狀態(tài)。為了解決這個問題，科學(xué)家開發(fā)出單細(xì)胞 RNA 測序技術(shù)，但仍需要面對不同細(xì)胞狀態(tài)之間關(guān)系的問題。

為解決這一問題，哥倫比亞大學(xué)研究人員開發(fā)出一種稱為單細(xì)胞拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析（scTDA）的算法。該算法可分析單個細(xì)胞的 RNA 序列，重建潛在的發(fā)育軌跡，并及時捕獲不同轉(zhuǎn)錄程序的進(jìn)展情況。拓?fù)鋵W(xué)是研究表面和形狀之間空間關(guān)系的數(shù)學(xué)領(lǐng)域，在這一研究中，則被用于確定不同細(xì)胞狀態(tài)和該狀態(tài)下才活躍的基因之間的。

研究人員使用 scTDA 繪制了經(jīng)誘導(dǎo)成為運動神經(jīng)元細(xì)胞的小鼠干細(xì)胞的發(fā)育路徑。這一路線圖準(zhǔn)確地表明了這些細(xì)胞的發(fā)育軌跡——從干細(xì)胞開始，至神經(jīng)元結(jié)束。通過查看哪些基因在路線圖上的特定叉點附近是活躍的，就能夠鑒定在不同時間節(jié)點引導(dǎo)細(xì)胞發(fā)育的蛋白質(zhì)。該方法已經(jīng)用于研究源自小鼠肺、人類胚胎和小鼠腦的干細(xì)胞的發(fā)育路徑。

研究人員表示，新方法使他們能夠深入了解細(xì)胞的潛在命運，了解控制細(xì)胞特征的關(guān)鍵分子轉(zhuǎn)換，并找到使細(xì)胞發(fā)育免受負(fù)面影響的機會。他們期望以后會有更多發(fā)現(xiàn)，zui終能夠在特定發(fā)育階段對個別細(xì)胞進(jìn)行深入分析。