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摘 要：联合研究小组成功推导出了一个公式，可以将三种在信息传递中起分子开关作用的Rho家族G蛋白（Rho GTPase）的活性度定量地转换为细胞边缘（外围）的变形率。该方法可应用于癌细胞、免疫细胞和发育中的神经细胞等数据，有望为医学和生物学的发展做出贡献。
关键词：Rho家族G蛋白、细胞边缘、细胞变形、定量公式、多分子协同作用
概要
联合研究小组成功推导出了一个公式，可以将三种在信息传递中起分子开关作用的Rho家族G蛋白（Rho GTPase）的活性度定量地转换为细胞边缘（外围）的变形率。众所周知，细胞的形态控制需要Rho GTPase中的Cdc42、Rac1、RhoA，但它们在相互分担角色的同时协同细胞变形的动态控制机制尚未得到阐明。本研究在数值上证明了这三种分子具有足够的信息来解释人纤维肉瘤衍生的HT-1080细胞中的细胞变形，并阐明了这些分子如何协同细胞变形。本研究所开发的分析方法可应用于癌细胞、免疫细胞和发育中的神经细胞等数据，有望为医学和生物学的发展做出贡献。
虽然细胞内的每个分子都具有简单的作用，但通过多个分子协同工作，实现了包括细胞运动在内的高级功能。至今的许多细胞生物学相关研究都报道了Rho GTPase的Cdc42、Rac1和RhoA“参与”了细胞运动。但关于这些分子如何协同控制细胞运动，以及用什么公式可以定量表达其控制方法至今尚未得到阐明。其原因在于难以同时观察多个Rho GTPase的活性状态。
为了按时间序列测量活细胞中Rho GTPase的活性度，研究小组使用了活细胞成像（FRET成像），该成像利用了基于两个接近的荧光分子间产生的荧光共振能量转移（FRET）的发光现象原理的生物传感器。一般来说，FRET成像在技术上很难在测量细胞中的一种分子活性度的同时，测量同一细胞中的多种类型分子的活性度。由于人们不知道这三种分子和细胞形态如何同时发生变化，因此很难用定量的公式将它们联系起来。本研究的目的是通过引入数据科学方法来解决这些问题，构建一个定量的公式来确定由于Cdc42、Rac1和RhoA的协同工作而导致的细胞形态变化，并表明这三个分子是细胞运动的关键分子。
在本研究中，研究小组开发了一种解决同时测量问题的数据预处理方法，即运动触发平均(MTA)。使用这个MTA，将用单个细胞测量的三种Rho GTPase的活性度时间序列转换为可被视为伪同步测量的时间序列数据。根据测量Rho GTPase活性度的成像数据，可以获得某个细胞边缘的一种Rho GTPase活性度及其边缘变形率的时间序列。此外，每个细胞边缘也会随着连续的扩张和收缩而变化。因此，在短时间内，无论Rho GTPases的类型如何，都可以从大多数细胞中找到相似的边缘速度时间序列。
本研究将MTA应用于每个Rho GTPase，收集边缘进行相同运动时的活性度时间序列并对数据进行了平均化（图1）。这使得研究小组能够提取三种Rho GTPase活性度模式，这些模式与边缘的特定速度模式同时发生。这些活性度模式是产生特定速度模式的最典型的时间序列，可以看作是一个伪同步测量的时间序列。所提取的三种活性度时间序列与之前关于单个Rho GTPase的研究报告结果一致，并且发现每个分子相对于细胞边缘速度时间序列具有特有的活性度时间序列。