近日，吉林大学唐匡客座教授汪劲课题组在基于单细胞组学数据揭示细胞周期机制方面取得重要进展。研究成果以“Quantifying Landscape-Flux via Single-Cell Transcriptomics Uncovers the Underlying Mechanism of Cell Cycle”为题，近期发表在Advanced Science上[2024, 11, 2308879]。

近年来，单细胞测序技术取得飞快的发展，使获得完整的转录组学数据成为可能。然而，从这些数据中理解生物功能背后的机制并确定控制细胞功能的转录调节的驱动力仍然具有挑战性。此研究通过离散的单细胞RNA速度来重建细胞周期的连续向量场，来量化细胞周期的非平衡全局驱动力--自由能景观和流。该工作揭示强噪声破坏细胞周期景观，遗传扰动改变了景观通量，从而确定了维持细胞周期动力学和预测相关功能效应的关键基因。此外，此研究量化了细胞周期起始的基本能耗成本，并揭示了维持细胞周期需要旋度流和热力学耗散来维持振荡相干性。最后，该研究能够直接从单细胞转录组学数据推断细胞周期的基因调控网络，包括反馈机制和相互作用。

图：通过单细胞转录组学量化景观和流揭示细胞周期的机制

这项研究为实验验证“景观-流”理论并获得其相关的量化提供了一个绝佳的机会。该工作还为结合“景观-流”理论和单细胞高通量测序实验提供了一个独特的框架，以了解细胞周期的潜在机制，并可扩展到其他非平衡生物过程，如分化发育和疾病发病机制等。

该研究成果的第一作者为吉林大学物理学院朱立刚博士，通讯作者为汪劲教授。该工作在国家自然基金委重点项目等基金的资助下完成的。