生命科學從未如此高度數位化發展。生物學家們為了能夠更加了解生命過程，正努力蒐集著大量數據，並且藉由資訊科學人員所開發的複雜運算模型來分析這些數據。在過去這幾年，隸屬於以色列魏茲曼科學研究院生物分子科學系的 Ori Avinoam 博士持續努力解決一個未解的生物學難題：幹細胞是如何產生新的肌肉纖維？在追尋此答案的過程中，Avinoam 與隸屬於內蓋夫本古里安大學軟體與資訊系統工程系的朋友 Assaf Zaritsky 博士並肩合作共同開發一個能夠追蹤此複雜生物過程的機器學習模型。此研究近日發表在《Molecular Systems Biology》期刊上，他們所開發的模型能夠針對每個細胞獨特成熟過程加上量化分數，讓研究人員們能夠在此發展過程中定義新調控檢查點（regulatory checkpoint）。

肌肉組織發育的幹細胞是在胚胎中產生，隨後依舊有部分持續存在於成年肌肉中。這些幹細胞大部分時間皆處於休眠狀態，但在生長、劇烈運動與受傷期間會立即發揮作用。在第一階段時，幹細胞開始分裂增加其數量。隨後，幹細胞們停止分裂進入分化。此分化階段為成熟過程中的一部分，細胞們開始獲得執行獨特功能所需的特徵，藉此達到執行獨特功能的能力。就此處提及的肌肉組織而言，分化的幹細胞會被拉長，並且開始合成蛋白質纖維，賦予肌肉組織特有的收縮能力，隨後持續遷移到組織再生處。一旦它們抵達了目標位置，就會開始融合形成被稱為肌肉纖維的長條型細胞。這些長條性細胞組合構成了整個肌肉。然而，截至目前為止，科學家們還難以理解幹細胞是如何沿著這個特化生物過程路徑前進，以及到底是什麼導致它們從一個階段進入另一個階段。

為了探究理解這些問題點，隸屬於 Avinoam 實驗室的 Giulia Zarfati 與 Adi Hazak 即時記錄觀察從小鼠身上分離出的幹細胞是如何發展出肌肉纖維，並且決定聚焦於兩個變化點：細胞移動與其內部製造蛋白質纖維過程，因為這兩個變化點對於產生具備收縮功能的成年肌肉相當重要。為了追蹤紀錄這些細胞運動，研究員們對針對細胞核與肌動蛋白（製造纖維必要成分）進行螢光標記。在一天的分化過程中，研究人員們在幹細胞一天分化過程週期內，記錄了數百個幹細胞轉變成成年肌肉細胞且融合成新纖維等階段的單細胞影像。

在記錄收集大量生物性資料後，研究人員們與隸屬於 Zaritsky 實驗室研究生 Amit Shakarchy 合作，建立了一個可準確呈現此動態過程的模型。 Avinoam 博士表示：「分屬於兩個不同研究領域的合作團隊必須學習彼此使用的語言，Assaf 實驗室團隊學習理解了什麼是分化肌肉細胞，以及我們如何知道它在何時與其他細胞融合形成肌纖維。我的團隊則必須研究理解機器學習基礎知識以及如何分析從不同時間點紀錄所得之一系列觀察性數據。最後，我們必須一起研究如何將生物過程編譯成能夠追蹤其進程的計算模型。」

嘗試建立一個可監測動態生物過程的電腦模型是一個艱鉅挑戰。Zaritsky 解釋著： 「首先，我們必須決定如何定義細胞分化時間點。再來，我們必須選擇是否與如何使用這些時間性資訊。我們決定納入此類資訊來訓練一個監督模型，此模型追蹤細胞運動以及它們的肌動蛋白纖維所發出的螢光強度。此模型也檢查了這些數據的導數，例如細胞運動速度變化與肌動蛋白纖維結構如何隨著時間變化。

研究員們發現，隨著分化過程進行，細胞運動能力會下降，肌動蛋白纖維發出的螢光訊號強度則是增加著。經過訓練用來區分幹細胞與成體肌肉細胞的機器學習模型建立了一個即時定量指數，其根據每個細胞的分化發育程度提供數值評分。當模型在未經訓練實驗中進行測試時，研究人員發現大多數幹細胞在分化過程中數值逐漸升高，在分化過程完成時達到最高分。 Avinoam 表示：「此模型告訴了我們，分化是一個漸進且分散的過程，因此細胞不會分階段一起發育，而是遵循不同的發育模式。這是一個意料未及的發現，因為一開始我們假設細胞會表現出集體行為模式。」

Zaritsky 補充說明著：「具備持續即時追蹤細胞轉變的能力將可以幫助我們在未來以前所未有的方式監測疾病進程。舉例來說，現在我們是透過活組織檢驗來檢視癌性生長，但這樣的凍結樣本無法提供關於生物動態過程的持續性資訊。」

在融合前停止

儘管在此模型中顯示出不同細胞在不同時間完成成熟過程，但此模型也發現了從完成成熟過程的那一刻起，直到它們融合在一起成為肌纖維之前，會有大約三個小時的一致期。就此現象研究員們推測，在某個檢查點時，每個細胞都會確保自身已確實完成分化，隨後啟動融合過程。

從過往研究文獻中結果表示，一種名為 p38 的蛋白酶可以調節肌肉發育，但確切作用尚未明暸。為了測試此酵素是否是檢查點步驟關鍵成分，研究員們抑制其活性，發現細胞確實會停滯在前一個階段，並未繼續融合成新的肌肉纖維。

將此數據帶入計算模型後，結果顯示阻斷 p38 酵素的細胞評分數值持續上升。換而言之，即使在缺乏 p38 酵素情況下，細胞們也能成功完成分化過程，但沒有繼續進行到融合階段。研究員們對此作出的結論，此檢查點是出現在分化過程結束與融合階段之前。但為什麼在缺乏 p38 酵素的情況下細胞會停滯不前呢？

研究員們借助此模型提出可能的解釋，當酶的活性受到抑制時，肌動蛋白纖維在分化過程中會以不同方式組織著。當研究員們測量受抑制細胞中負責組織細胞骨架肌動蛋白纖維的蛋白質表現量時，發現了這些細胞中的此類蛋白質有著高表現量，此結果呼應了模型結果。這類負責組織細胞骨架中的肌動蛋白纖維的蛋白質，是細胞分化過程中的一個重要因子。同時，有著融合所需的低蛋白質含​​量細胞，具備形成成體肌纖維與允許肌肉收縮的能力。

Avinoam 表示：「細胞陷入準備融合階段。 因此，當酵素再次活躍時，細胞們可以恢復融合過程。事實上，我們相信這是肌肉確保其細胞完成融合成新肌纖維所準備的中央檢查點。這個發現除了為肌肉發育提供新線索之外，同時還呈現了計算模型具備識別動態生物過程重要檢查點的能力。」

關於其他參與研究的相關人員請見資料來源。

資料來源：
https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/ai-flexes-its-muscles