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Cell:发起全球计划,构建人胰腺β细胞模型

来源:本站原创 2018-04-02 22:14

2018年4月2日/生物谷BIOON/---美国南加州大学的研究人员发起了一项规模巨大的科学计划,旨在构建胰腺β细胞和它的组分的详细虚拟三维模型。这个全球计划的目的是有朝一日能够遏制全球糖尿病上升。

根据世界卫生组织(WHO)的数据,自1980年以来,全球的糖尿病病例已增加了三倍以上,据估计从1亿人增加到4亿多人。据美国疾病控制与预防中心(CDC)估计,有超过三千万美国人患有这种疾病。

在一篇发表在2018年3月22日的Cell期刊上的标题为“Opportunities and Challenges in Building a Spatiotemporal Multi-scale Model of the Human Pancreatic β Cell”的评论论文中,作为在南加州大学设立的新胰腺β细胞联盟(Pancreatic Beta Cell Consortium)的代表,论文作者们宣布他们邀请世界各地的科学家投身于这一事业,一起协助在原子尺度下和全细胞尺度下构建人β细胞模型。这个联盟雄心勃勃地致力于在五年内完成这个计划。

南加州大学化学家兼结构生物学家Raymond Stevens是这篇论文的主要作者,也是这个联盟的创始人,他表示他相信全细胞模型的完成对开发下一种糖尿病疗法是至关重要的。

Stevens 说,“我们正在合力解决一个难题,以便获得多个尺度(从单个原子到小分子到大分子到细胞)下的结构。”

这个胰腺β细胞联盟努力呼吁生物学、化学、计算生物学(建模)、工程学、数学和成像方面的专家参与进来。艺术家和电影制作人等专业人员也可参加。Stevens说,他相信这些非科学家人士可能会为他们的研究提供一种独特而有用的观点。

作为这一联合科学计划的启动点,南加州大学迈克尔森中心布里奇研究所(Bridge Institute at USC Michelson Center)正在组建当中。该中心由来自南加州大学三所学院---多尼斯夫文学艺术科学学院(Dornsife College of Letters, Arts and Sciences)、维特比工程学院(Viterbi School of Engineering)和凯克医学院(Keck School of Medicine)---的工程师和科学家组成。他们正在一起开发新的治疗方法、诊断方法和设备来解决21世纪所面临的最大挑战,如癌症和阿尔茨海默病。

这个胰腺β细胞联盟的合作者们来自加州理工学院、加州大学旧金山分校、斯克里普斯研究所和上海科技大学iHuman研究所等一流研究机构。他们正在合作开发新的治疗方法、诊断方法和设备来解决糖尿病问题,其中糖尿病是当代面临的最大挑战之一。

南加州大学迈克尔森中心布里奇研究所也已对它的计划进行扩大,旨在从来自南加州大学电影艺术学院的艺术家和电影制作人的技能和观点中获得启发。

任何人均可参与

这个计划被形容为“众包科学(crowd-sourced science)”。与人类基因组计划一样,这个β细胞计划也是开源的,这意味着该联盟正在建立一种开放的数据库,任何人都能够在那里储存关于胰腺β细胞的研究和数据。多组数据将被整合在一起,以便形成β细胞和它的所有组分的多尺度(从最小的单个原子到最大的细胞)模型。作为质量控制,该联盟的科学家们将对所有贡献进行管理和审核。

加州大学旧金山分校科学家兼生物工程师Andrej Sali说道,“最终,这是一个建模问题。”他作为一名建模者对数据进行整合。

Sali说,“细胞是一种非常大的系统。它不像气体,也不像晶体,但它在某个方面使得这两个极端之间的复杂性最大化。它也是分层的:原子、分子、复合物、细胞器和细胞。它必须通过一种依赖多种信息来源的综合方法来加以解决。”

为什么不对其他细胞进行建模?

出于几个原因,胰腺β细胞可能是世界上第一个综合的全细胞模型的主要候选细胞。首先,它已被广泛研究,这意味着已经存在着多个数据集、图像资源和其他资源。其次,β细胞是一种简单的机器:输入(葡萄糖)等于输出(胰岛素)。

论文共同作者、南加州大学分子与计算生物学教授Frank Alber 说道,“这种细胞类型具有如此巨大的医学意义。你想要在药物设计中使用一种预测性的全细胞模型,而且你想要观察到药物对细胞内的蛋白通路的影响,以及对整个细胞的影响。”

论文共同作者Kate White是这个联盟的主任。据估计这个联盟迄今为止有50位科学家,其中的多数来自南加州大学,还有来自美国加州和中国的其他科学家。在最初的会议上,该联盟一直在讨论神秘的“黑盒子”---关于这个细胞的未知信息。

White说道,“其中的一个黑盒子是这个细胞的所有组分是什么?我们在某种程度上知道这一点,但我们并不知道全部。我们还需要理解这个细胞中的哪些组分正在进行交谈,这些交谈持续了多长时间,以及每个细胞之间存在多大差异。”

β细胞好比是一座城市

理解胰腺β细胞所面临的挑战可能好比是开始了解一座陌生的城市。在与南加州大学电影艺术学院世界建筑传媒实验室的合作中,通过与Alex McDowell和Todd Richmond教授合作,该联盟正在尝试使用建设世界的工具,类似于用于制作电影“少数派报告(Minority Report)” 所使用的工具,将这个细胞描绘为一个世界。

论文共同作者、多尼斯夫文学艺术科学学院化学系博士生Kyle McClary说道,“我们正在开始理解公民是谁、基础设施看起来是什么样子,以及管理阶层是如何运作的。我们正试图将这个细胞的基本属性提炼成更易于接受的抽象表征。”

论文共同作者、多尼斯夫文学艺术科学学院计算生物学与生物信息学博士生Jitin Singla认为这个计划将为理解生命本身提供新的线索。

Singla说道,“努力从整体上理解这个细胞对我理解我们如何在微观尺度上感知生命是比较重要的。在这个计划中,我们前进得越远,它就越能激发我对它的兴趣,这是因为它展现了这个细胞的新维度、知识和复杂性,以及所有的这些是如何一起构成一个‘活的’细胞。”

Stevens说,构建一种综合的β细胞模型的意义将远远超出胰腺β细胞本身。

他说,“我们希望我们的计划能够为人们对神经元、干细胞和其他类型的细胞进行建模奠定基础。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Diabetes: Fact sheet

2.Pancreatic Beta Cell Consortium

3.Scientists launch global effort to model pancreatic beta cell, solve diabetes


4.Jitin Singla, Kyle M. McClary, Kate L. White et al. Opportunities and Challenges in Building a Spatiotemporal Multi-scale Model of the Human Pancreatic β Cell. Cell, 22 March 2018, 173(1):11–19, doi:10.1016/j.cell.2018.03.014

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