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सेल भेदभाव का अनुकरण

सेल भेदभाव का अनुकरण


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मैं एक कंप्यूटर प्रोग्रामर हूं जिसकी जीव विज्ञान में गहरी दिलचस्पी है।

मैं सेल भेदभाव के लिए एक कंप्यूटर सिमुलेशन लिखना चाहता हूं। मैं समझता हूं कि ऐसा करने में असंभव प्रतीत होने वाली चुनौतियां होंगी। लेकिन पहले मैं कुछ बुनियादी सवालों के जवाब ढूंढ रहा हूं।

  1. मैंने सीखा है कि एक युग्मज 'भ्रूण स्टेम सेल' में बदल जाता है जिसके परिणामस्वरूप जीव होता है। युग्मनज भ्रूणीय कोशिकाओं में कैसे परिवर्तित होता है ?
  2. वे कौन से कारक हैं जो भ्रूणीय स्टेम कोशिकाओं के अधिक विशिष्ट प्रकार की कोशिकाओं में विशेषज्ञता को निर्धारित करते हैं और यह परिवर्तन शारीरिक रूप से कैसे होता है?
  3. डेटा कहाँ संग्रहीत किया जाता है जो इन सभी प्रक्रियाओं के लिए "गाइड" के रूप में कार्य करता है? क्या यह डीएनए में संग्रहीत है? यदि यह डीएनए में संग्रहीत है, तो क्या यह ज्ञात है कि कोशिकाएं डीएनए में जानकारी की व्याख्या कैसे करती हैं?
  4. इस परियोजना के लिए मुझे किन कुछ पाठ्यपुस्तकों का उल्लेख करना चाहिए?

पुनश्च: मेरी अज्ञानता को क्षमा करें यदि ये प्रश्न मूर्खतापूर्ण लगते हैं, लेकिन मैं ऐसा करने के लिए आवश्यक कुछ भी सीखने के लिए समय देने को तैयार हूं। साथ ही, मैं समझता हूं कि इन सभी प्रश्नों का उत्तर कुछ पंक्तियों में नहीं दिया जा सकता है। कृपया संदर्भ/संकेत प्रदान करें। धन्यवाद !


इस प्रश्न का उत्तर कुछ पंक्तियों में देने का प्रयास करना एक कठिन कार्य है। अधिकतर मुझे यकीन नहीं है कि आज हम इसके बारे में जानने के लिए सब कुछ जानते हैं।

हालांकि मैं आपको कुछ संकेत देने की कोशिश करूंगा।

  1. प्रक्रिया को भ्रूणजनन कहा जाता है। युग्मनज (or डिंब) बिना किसी महत्वपूर्ण आकार वृद्धि के तेजी से समसूत्री विभाजन से गुजरता है जिससे भ्रूण का विकास होगा। इस प्रक्रिया को दरार कहा जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान ब्लास्टोमेरेस बनते हैं। तीसरे दिन - समय भिन्न हो सकता है लेकिन महत्वपूर्ण रूप से नहीं - दरार 16 कोशिकाओं की स्थिति तक पहुँचता है। कोशिका विभाजन हमेशा समानांतर विभाजन (1 -> 2, 2 -> 4, 4 -> 8, 8 -> 16) द्वारा होता है। मैंने आपको जो लिंक दिए हैं उनका अध्ययन करें और अधिक विशिष्ट प्रश्नों के साथ वापस आएं।

  2. फिर से निषेचन से लेकर भ्रूण के विकास तक की पूरी प्रक्रिया को बताए बिना उत्तर देना असंभव प्रश्न है, क्योंकि ऊतकों (कोशिकाओं) और अंगों का निर्माण रास्ते में होता है, एक बार में नहीं। हालाँकि, यह प्रलेखित है।

  3. पक्का नहीं।

  4. विकिपीडिया लिंक से शुरू करें और अधिक विशिष्ट प्रश्नों के साथ वापस आने का प्रयास करें। मेरे पास कुछ पाठ्य-पुस्तकें हैं लेकिन मुझे डर है कि वे उतनी विस्तृत नहीं हैं जितनी आप चाहेंगे :-)

आपको कामयाबी मिले!


मैं डेवलपमेंटल बायोलॉजी, 9वीं एड से शुरू करूंगा। यह पूरी तरह से अत्याधुनिक नहीं है, जैसा कि इसे 2010 में प्रकाशित किया गया था, लेकिन इसमें बहुत सारी अच्छी चीजें हैं। विकिपीडिया कुछ विषयों पर बहुत संक्षिप्त अवलोकन प्राप्त करने के लिए एक अच्छा संसाधन है, लेकिन उदाहरण के लिए, भौतिकी और गणित के लेखों के विपरीत, मैंने जो जीवन विज्ञान लेख पढ़े हैं, उनमें कमी है।

प्रश्न 3 के लिए, हाँ, "डेटा" डीएनए में संग्रहीत है। पूरी तरह से मार्गदर्शन के लिए, मेरी पसंदीदा पुस्तकों में से एक है मॉलिक्यूलर बायोलॉजी ऑफ़ द सेल, 5वां संस्करण। यह अब थोड़ा दिनांकित है (2007 में प्रकाशित), लेकिन अगर आप यह समझना चाहते हैं कि डीएनए, आरएनए और प्रोटीन कैसे काम करते हैं, तो यह बहुत अच्छा है। सिंहावलोकन पाठ।


आपके अधिकांश प्रश्नों के उत्तर सक्रिय शोध के अधीन हैं और कई अज्ञात हैं। इस प्रक्रिया को समझना विकासात्मक जीव विज्ञान के मुख्य लक्ष्यों में से एक है। इसलिए, अपनी परियोजना के लिए उचित लक्ष्य निर्धारित करने का प्रयास करें, मुख्य रूप से यह देखकर कि आपके पास काम करने के लिए पर्याप्त डेटा कहां है।

मैं विकासात्मक जीव विज्ञान पर कुछ बुनियादी पाठ्यपुस्तक पढ़ने के साथ शुरुआत करूंगा।

जानकारी के प्रवाह के बारे में: याद रखें कि युग्मनज से शुरू होकर पूरे जीव तक, डीएनए अनुक्रम आम तौर पर सभी कोशिकाओं के बीच समान होता है। एक कंप्यूटर वैज्ञानिक के रूप में यह आपको इसके बारे में इस तरह सोचने में मदद कर सकता है:

डीएनए को एक बहुत ही जटिल गणितीय कार्य के रूप में सोचें $f()$ सेलुलर राज्यों पर अभिनय। वर्तमान कोशिकीय अवस्था $S_i$ कोशिका के कुल आणविक घटक होंगे और कोशिका के जैविक कार्य को उत्पन्न करेंगे। तो, आप एक प्रारंभिक सेल स्थिति $S_0$ से शुरू करते हैं (उदाहरण के लिए एक वेक्टर हो सकता है) और फिर बेटी कोशिकाएं होंगी: $S_1=f(S_0)$, उनकी बेटी कोशिकाएं $S_2=f(S_1) होंगी $. यह प्रक्रिया का सही प्रतिनिधित्व नहीं है (क्योंकि समय बिंदु 2 पर आपके पास वास्तव में $S_0$ और $S_1$ दोनों सेल हो सकते हैं), लेकिन यह इस बात पर जोर देता है कि हालांकि डीएनए अनुक्रम अगले चरण की "गणना" करता है, यह वास्तव में है स्थिर, और यह बिंदु कि प्रत्येक कोशिकीय अवस्था अगले राज्य को निर्धारित करती है। मुझे लगता है कि मार्कोव श्रृंखला उपयुक्त हो सकती है। बेशक आप अधिक परिष्कृत मॉडल भी आज़मा सकते हैं - लेकिन सरल शुरुआत करना बेहतर है।

साथ ही, मैं सुझाव दूंगा कि आप सी. एलिगेंस से अपनी प्रतिरूपित प्रजाति के रूप में शुरुआत करें। ऐसा इसलिए है क्योंकि इसकी 1031 दैहिक कोशिकाओं में से प्रत्येक का पूर्ण विभेदन भाग्य ज्ञात है - एक उल्लेखनीय उपलब्धि और कुछ ऐसा जो आपके पास अन्य प्रजातियों में नहीं होगा।


सेलुलर भेदभाव

सेलुलर भेदभाव वह प्रक्रिया है जिसमें एक कोशिका एक प्रकार से दूसरी कोशिका में परिवर्तित होती है। [2] [3] आमतौर पर, कोशिका अधिक विशिष्ट प्रकार में बदल जाती है। बहुकोशिकीय जीव के विकास के दौरान कई बार विभेदन होता है क्योंकि यह एक साधारण युग्मनज से ऊतकों और कोशिका प्रकारों की एक जटिल प्रणाली में बदल जाता है। वयस्कता में भेदभाव जारी रहता है क्योंकि वयस्क स्टेम कोशिकाएं ऊतक की मरम्मत के दौरान और सामान्य सेल टर्नओवर के दौरान पूरी तरह से विभेदित बेटी कोशिकाओं को विभाजित करती हैं और बनाती हैं। एंटीजन एक्सपोजर के जवाब में कुछ भेदभाव होता है। विभेदन नाटकीय रूप से एक कोशिका के आकार, आकार, झिल्ली क्षमता, चयापचय गतिविधि और संकेतों के प्रति प्रतिक्रिया को बदल देता है। ये परिवर्तन बड़े पैमाने पर जीन अभिव्यक्ति में अत्यधिक नियंत्रित संशोधनों के कारण होते हैं और यह एपिजेनेटिक्स का अध्ययन है। कुछ अपवादों के साथ, सेलुलर भेदभाव में लगभग कभी भी डीएनए अनुक्रम में परिवर्तन शामिल नहीं होता है। यद्यपि चयापचय संरचना काफी नाटकीय रूप से बदल जाती है [4] जहां स्टेम कोशिकाओं को अत्यधिक असंतृप्त संरचनाओं के साथ प्रचुर मात्रा में मेटाबोलाइट्स की विशेषता होती है जिनके स्तर भेदभाव पर कम हो जाते हैं। इस प्रकार, एक ही जीनोम होने के बावजूद विभिन्न कोशिकाओं में बहुत भिन्न भौतिक विशेषताएं हो सकती हैं।

एक विशेष प्रकार का विभेदीकरण, जिसे 'टर्मिनल विभेदन' के रूप में जाना जाता है, कुछ ऊतकों में महत्वपूर्ण है, उदाहरण के लिए कशेरुकी तंत्रिका तंत्र, धारीदार मांसपेशी, एपिडर्मिस और आंत। टर्मिनल विभेदन के दौरान, पूर्व में कोशिका विभाजन में सक्षम एक पूर्ववर्ती कोशिका, स्थायी रूप से कोशिका चक्र को छोड़ देती है, कोशिका चक्र मशीनरी को नष्ट कर देती है और अक्सर कोशिका के अंतिम कार्य (जैसे पेशी कोशिका के लिए मायोसिन और एक्टिन) की विशेषता वाले जीनों की एक श्रृंखला को व्यक्त करती है। टर्मिनल विभेदन के बाद भी विभेदन जारी रह सकता है यदि सेल की क्षमता और कार्यों में और परिवर्तन होते हैं।

कोशिकाओं को विभाजित करने के बीच, कोशिका शक्ति के कई स्तर होते हैं, कोशिका की अन्य प्रकार की कोशिकाओं में अंतर करने की क्षमता होती है। एक बड़ी शक्ति बड़ी संख्या में सेल प्रकारों को इंगित करती है जिन्हें व्युत्पन्न किया जा सकता है। एक कोशिका जो अपरा ऊतक सहित सभी प्रकार की कोशिकाओं में अंतर कर सकती है, कहलाती है टोटिपोटेंट. स्तनधारियों में, केवल युग्मनज और उसके बाद के ब्लास्टोमेरेस टोटिपोटेंट होते हैं, जबकि पौधों में, कई विभेदित कोशिकाएं साधारण प्रयोगशाला तकनीकों के साथ टोटिपोटेंट बन सकती हैं। एक कोशिका जो सभी प्रकार के वयस्क जीवों में अंतर कर सकती है, कहलाती है प्लुरिपोटेंट. ऐसी कोशिकाओं को उच्च पौधों में विभज्योतक कोशिकाएँ और जानवरों में भ्रूणीय स्टेम कोशिकाएँ कहा जाता है, हालाँकि कुछ समूह वयस्क प्लुरिपोटेंट कोशिकाओं की उपस्थिति की रिपोर्ट करते हैं। चार प्रतिलेखन कारकों Oct4, Sox2, c-Myc, और Klf4 (यामानाका कारक) की वायरल प्रेरित अभिव्यक्ति वयस्क फाइब्रोब्लास्ट से प्लुरिपोटेंट (आईपीएस) कोशिकाओं को बनाने के लिए पर्याप्त है। [5] मल्टीपोटेंट सेल वह है जो कई अलग-अलग, लेकिन बारीकी से संबंधित सेल प्रकारों में अंतर कर सकती है। [6] ओलिगोपोटेंट कोशिकाएं मल्टीपोटेंट की तुलना में अधिक प्रतिबंधित हैं, लेकिन फिर भी कुछ निकट संबंधी सेल प्रकारों में अंतर कर सकती हैं। [6] अंत में, यूनिपोटेंट कोशिकाएं केवल एक सेल प्रकार में अंतर कर सकती हैं, लेकिन आत्म-नवीकरण में सक्षम हैं। [6] साइटोपैथोलॉजी में, कोशिकीय विभेदन के स्तर का उपयोग कैंसर की प्रगति के माप के रूप में किया जाता है। "ग्रेड" एक मार्कर है कि ट्यूमर में एक कोशिका कितनी अलग है। [7]


सेल भेदभाव उदाहरण

जानवरों में

की प्रक्रिया के बाद निषेचन जानवरों में, एक एकल-कोशिका वाले जीव जिसे कहा जाता है युग्मनज बन गया है। युग्मनज टोटिपोटेंट है, और अंततः एक संपूर्ण जीव बन जाएगा। यहां तक ​​​​कि पृथ्वी पर सबसे बड़ा जानवर, ब्लू व्हेल, एकल कोशिका के रूप में शुरू होता है। जटिल ऊतक और अंग प्रणालियाँ, जो अपने रूप और कार्य में पूरी तरह से भिन्न हैं, सभी युग्मनज से आती हैं। कोशिका विभेदन की प्रक्रिया जीव के भीतर जल्दी शुरू हो जाती है। उस समय तक गेसट्रुला बन गया है, कोशिकाओं ने पहले ही डीएनए के विभिन्न भागों को व्यक्त करना शुरू कर दिया है।

जैसे-जैसे प्रणालियां बनती रहती हैं, कई स्टेम कोशिकाएं अपनी पूर्ण क्षमता खो देती हैं, स्वयं कोशिका विभेदन से गुजरती हैं। यह विशेष कोशिकाओं के तेजी से उत्पादन की अनुमति देता है, जिसे बढ़ते जीव को अपने विकास को बनाए रखने और सफलता के साथ दुनिया में प्रवेश करने की आवश्यकता होती है। कोशिका विभेदन के माध्यम से, मस्तिष्क के ऊतकों और मांसपेशियों के रूप में अलग-अलग ऊतक एक ही कोशिका से बनते हैं।

पौधों में

जबकि पौधे का जीवनचक्र कभी-कभी विदेशी और जटिल लगता है, कोशिका विभेदन की प्रक्रिया बहुत समान होती है। जबकि विभिन्न हार्मोन शामिल होते हैं, सभी पौधे भी एक ही कोशिका से विकसित होते हैं। एक बीज जाइगोट के लिए केवल एक सुरक्षात्मक आवास है, जो एक खाद्य आपूर्ति भी प्रदान करता है। यह जानवरों की दुनिया में एक अंडे के समान है। अंदर का युग्मनज कोशिका विभाजन से गुजरता है, और एक छोटा भ्रूण बन जाता है। विकास रुक गया है, क्योंकि बीज दुनिया में वितरित किया जाता है।

सर्दियों के बाद, या किसी भी समय पर्यावरण प्रमुख होता है, बीज नमी को सोख लेगा और विकास की प्रक्रिया को फिर से शुरू करेगा। भ्रूण दो बनना शुरू हो जाएगा मेरिस्टेमों. एक विभज्योतक स्टेम कोशिकाओं का एक अनूठा हिस्सा है, जो बाहर की ओर बढ़ने पर कोशिका विभेदन से गुजरता है। एक सतह की ओर बढ़ेगा, जबकि दूसरा जड़ बन जाएगा।

जड़ों में विभज्योतक के चारों ओर कोशिकाओं की एक परत बनती है, जिससे रूट कैप. कोशिकाओं की यह परत धीमी हो जाती है क्योंकि जड़ें मिट्टी के माध्यम से चलती हैं, और लगातार मेरिस्टेम द्वारा प्रतिस्थापित की जाती हैं। विभज्योतक के अंदर, कोशिका विभेदन एक अलग दिशा में होता है। यहां हार्मोन और पर्यावरण कोशिकाओं को संवहनी ऊतक और सहायक कोशिकाएं बनने के लिए निर्देशित करते हैं। ये अंततः पानी और पोषक तत्वों को पौधे के शीर्ष तक ले जाएंगे।

सतह पर, मेरिस्टेम एक समान तरीके से कार्य करता है। जैसे-जैसे यह ऊपर की ओर विभाजित होता है, यह अंदर और बाहर दोनों तरह की कोशिकाओं का निर्माण करता है। आवक कोशिकाएं जड़ों के समान विभेदन से गुजरती हैं, जिससे अधिक संवहनी ऊतक बनते हैं। बाहर की ओर, कोशिकाएँ तनों और पत्तियों में कोशिका विभेदन से गुजरती हैं। ये जंतुओं के विभिन्न अंगों के समतुल्य होते हैं, और आरंभिक कोशिकाओं से उतने ही भिन्न होते हैं जितने कि जंतु कोशिकाएँ। यदि आप आश्वस्त नहीं हैं, तो एक बलूत का फल उठाएँ और उसकी तुलना उस विशाल पेड़ से करें जो वह बन जाएगा। न केवल यह बहुत छोटा है, इसमें पूरी तरह से विभिन्न प्रकार के सेल भी हैं। यह सेल भेदभाव की प्रक्रिया के माध्यम से जिम्मेदार हो सकता है।


ऊतक विभेदन और अस्थि पुनर्जनन का अनुकरण करने के लिए बायोमेकेनिकल मॉडल: फ्रैक्चर हीलिंग के लिए आवेदन

अस्थि उत्थान एक सामान्य जैविक प्रक्रिया है, उदाहरण के लिए, अस्थिभंग उपचार या कृत्रिम अंग के अस्थि-एकीकरण के दौरान। अस्थि पुनर्जनन का कंप्यूटर अनुकरण करना कठिन है क्योंकि यह कोशिका-मध्यस्थ प्रक्रियाओं का एक जटिल अनुक्रम है जो यांत्रिक जैविक उत्तेजनाओं द्वारा नियंत्रित होता है। इंट्रामेम्ब्रेनस और एंडोकॉन्ड्रल ऑसिफिकेशन के समय-पाठ्यक्रम की भविष्यवाणी करने के लिए एक एल्गोरिदम विकसित किया गया है। एल्गोरिथ्म मानता है कि अविभाजित ऊतक में अग्रदूत कोशिकाएं होती हैं और ये कोशिकाएं बायोफिजिकल उत्तेजनाओं के संयोजन के आधार पर फाइब्रोब्लास्ट (रेशेदार संयोजी ऊतक बनाने के लिए), चोंड्रोसाइट्स (कार्टिलाजिनस ऊतक बनाने के लिए) या ऑस्टियोब्लास्ट (हड्डी बनाने के लिए) में अंतर करती हैं। कोलेजनस मैट्रिक्स में तनाव और अंतरालीय द्रव के प्रवाह से व्युत्पन्न। इन दोनों उत्तेजनाओं को अग्रदूत कोशिकाओं को विकृत करने के लिए जाना जाता है, और लेखकों का अनुमान है कि यह सेल भेदभाव मार्गों के सक्रियण का कारण बनता है। यह अवलोकन कि अग्रगामी कोशिकाओं को पूरे फ्रैक्चर कैलस में फैलने में समय लगता है, को एल्गोरिथम में शामिल किया गया है। एल्गोरिथम का परीक्षण एक एक्सिसिमेट्रिक परिमित तत्व मॉडल का उपयोग करके एक लंबी हड्डी के फ्रैक्चर उपचार की जांच में किया गया था। फ्रैक्चर हीलिंग के दौरान दिखाई देने वाले ऊतक फेनोटाइप के अनुपात-लौकिक अनुक्रम का सफलतापूर्वक अनुकरण किया गया था। इसके अलावा, अग्रदूत कोशिकाओं (या तो आसपास की मांसपेशियों, अस्थि मज्जा या पेरीओस्टेम) की उत्पत्ति का अनुमान लगाया गया था कि उपचार पैटर्न पर और इंटरफ्रैग्मेंटरी स्ट्रेन (आईएफएस) में कमी की दर पर एक मौलिक प्रभाव पड़ता है। प्रारंभिक IFS = 0.15 सात पुनरावृत्तियों के भीतर 0.01 तक गिर जाता है यदि कोशिकाएं आसपास के नरम ऊतक से उत्पन्न होती हैं, लेकिन 50% से अधिक अधिक समय लेती हैं यदि कोशिकाएं पेरीओस्टेम की आंतरिक कैम्बियम परत में उत्पन्न होती हैं, और यदि पूर्ववर्ती कोशिकाओं की उत्पत्ति हड्डी से हुई है तो चार गुना अधिक समय लगता है। केवल मज्जा।

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विचार - विमर्श

हम अनुमानित सेल स्यूडोटाइम के साथ डीई जीन की पहचान करने के लिए एक सांख्यिकीय विधि स्यूडोटाइमडीई का प्रस्ताव करते हैं। स्यूडोटाइमडीई अच्छी तरह से कैलिब्रेटेड उत्पन्न करने पर केंद्रित है पीअनुमानित छद्म समय की यादृच्छिकता को ध्यान में रखते हुए -मान। इन लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए, PseudotimeDE पहले छद्म समय की अनिश्चितता का अनुमान लगाने के लिए सबसैंपलिंग का उपयोग करता है। दूसरा, PseudotimeDE NB-GAM या ZINB-GAM को मूल डेटासेट और अनुमत सबसैंपल डेटासेट दोनों के लिए परीक्षण आँकड़ों और इसके अनुमानित शून्य मानों की गणना करने के लिए फिट करता है। अगला, स्यूडोटाइमडीई परीक्षण आंकड़ों के अनुमानित शून्य वितरण का अनुमान लगाने के लिए एक पैरामीट्रिक वितरण फिट बैठता है। अंत में, स्यूडोटाइमडीई गणना करता है पी-उच्च संकल्प के साथ मूल्य। स्यूडोटाइमडीई किसी भी विधि द्वारा मानक प्रारूप में अनुमानित सेल स्यूडोटाइम को समायोजित करने के लिए लचीला है। NB-GAM और ZINB-GAM का इसका उपयोग इसे विविध जीन अभिव्यक्ति गतिशीलता को पकड़ने और डेटा में अवांछनीय शून्य मुद्रास्फीति को समायोजित करने की अनुमति देता है।

नकली और वास्तविक डेटा पर व्यापक अध्ययन इस बात की पुष्टि करते हैं कि स्यूडोटाइमडीई चार मौजूदा तरीकों (ट्रेडसेक, मोनोकल3-डीई, एनबीएएमएसईक्यू, और इंपल्सडीई2) की तुलना में बेहतर एफडीआर नियंत्रण और उच्च शक्ति प्रदान करता है। नकली डेटा पर, स्यूडोटाइमडीई अच्छी तरह से कैलिब्रेटेड उत्पन्न करता है पी-मान जो शून्य परिकल्पना के तहत समान वितरण का पालन करते हैं, जबकि मोनोकल 3-डीई को छोड़कर मौजूदा तरीकों में है पी-मान समान धारणा का उल्लंघन करते हैं। अच्छी तरह से कैलिब्रेटेड पी-मान स्यूडोटाइमडीई के वैध एफडीआर नियंत्रण की गारंटी देते हैं। इसके अलावा, इसके लचीले मॉडल NB-GAM और ZINB-GAM के उपयोग के लिए धन्यवाद, PseudotimeDE में Monocle3-DE की तुलना में अधिक शक्ति है, जो अधिक प्रतिबंधात्मक मॉडल GLM का उपयोग करता है और इस प्रकार इसमें कम शक्ति होती है। PseudotimeDE अन्य तीन विधियों- TradeSeq, NBAMSeq, और ImpulseDE2 से भी बेहतर प्रदर्शन करता है - जो खराब-कैलिब्रेटेड उत्पन्न करते हैं पी-शक्ति के संदर्भ में मूल्य। तीन वास्तविक scRNA-seq डेटासेट पर, स्यूडोटाइमडीई द्वारा विशिष्ट रूप से पहचाने गए डीई जीन कार्यात्मक विश्लेषणों द्वारा प्रकट बेहतर जैविक व्याख्या को गले लगाते हैं, और पीPseudotimeDE के -मान अधिक महत्वपूर्ण GSEA परिणामों की ओर ले जाते हैं।

एक दिलचस्प और खुला प्रश्न यह है कि स्यूडोटाइम डीई के साथ छद्म समय अनुमान विधि सबसे अच्छा काम करती है। जबकि हम देखते हैं कि सिमुलेशन अध्ययनों में मोनोक्ले 3-पीआई की तुलना में स्यूडोटाइमडीई में स्लिंगशॉट के साथ उच्च शक्ति है, हम महसूस करते हैं कि इसका कारण सिमुलेशन डिजाइन (उदाहरण के लिए, वंश संरचनाएं) से जुड़ा हो सकता है, और इस प्रकार, हम इस अवलोकन से निष्कर्ष नहीं निकाल सकते हैं। . जैविक प्रणालियों की विविधता और छद्म समय अनुमान [9] की जटिलता के कारण, हम उपयोगकर्ताओं के लिए छद्म समय अनुमान विधियों की पसंद को छोड़ने का निर्णय लेते हैं, और यह किसी भी तरीके से अनुमानित छद्म समय को समायोजित करने के लिए स्यूडोटाइमडीई के लचीले होने का लाभ है। व्यवहार में, हम उपयोगकर्ताओं को लोकप्रिय छद्म समय अनुमान विधियों का प्रयास करने के लिए प्रोत्साहित करते हैं और डीई जीन की पहचान करने के लिए स्यूडोटाइम डीई को डाउनस्ट्रीम चरण के रूप में उपयोग करते हैं, ताकि वे पहचान परिणामों का विश्लेषण कर सकें और यह तय कर सकें कि उनके डेटासेट के लिए कौन सा छद्म समय अनुमान विधि अधिक उपयुक्त है।

शून्य मुद्रास्फीति, या "छोड़ने वाला" मुद्दा, एकल-कोशिका क्षेत्र [40-44] में हैरान करने वाला और विवादास्पद बना हुआ है। विवाद इस बात को लेकर है कि क्या अतिरिक्त शून्य जिन्हें पॉइसन द्वारा समझाया नहीं जा सकता है या नकारात्मक द्विपद वितरण जैविक अर्थपूर्ण हैं या नहीं। इस विवाद का सामना करते हुए, हम PseudotimeDE में दो मॉडल प्रदान करते हैं: NB-GAM और ZINB-GAM, जिसमें पूर्व में अतिरिक्त शून्य को जैविक रूप से सार्थक माना जाता है और बाद वाला नहीं। विशेष रूप से, NB-GAM में नकारात्मक द्विपद वितरण अतिरिक्त शून्य सहित सभी जीन अभिव्यक्ति गणनाओं के लिए फिट है, जबकि ZINB-GAM में नकारात्मक वितरण की फिटिंग अतिरिक्त शून्य को बाहर करती है, जिसे ZINB-GAM परोक्ष रूप से गैर-जैविक शून्य के रूप में मानता है। स्यूडोटाइमडीई दो मॉडलों के बीच चयन को उपयोगकर्ता निर्दिष्ट या डेटा संचालित होने की अनुमति देता है। हमारे डेटा विश्लेषण से, हम महसूस करते हैं कि चुनाव के लिए अक्सर विश्लेषण किए जाने वाले डेटासेट के जैविक ज्ञान की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, एलपीएस-डेंड्रिटिक सेल डेटासेट और अग्नाशयी बीटा सेल परिपक्वता डेटासेट पर, हम देखते हैं कि ZINB-GAM बिजली की हानि की ओर जाता है: कुछ संभावित DE जीन को ZINB-GAM द्वारा पहचाना नहीं जा सकता है क्योंकि शून्य गणना में उपयोगी जानकारी होती है (अतिरिक्त फ़ाइल 1: अंजीर। एस15-एस18)। हमारा अवलोकन एक और हालिया अध्ययन [42] के अनुरूप है, जिसके लेखकों ने देखा कि "शून्य-फुलाए गए मॉडल समान गैर-शून्य-फुलाए गए मॉडल की तुलना में उच्च झूठी-नकारात्मक दरों की ओर ले जाते हैं।" इसलिए, हमारे वास्तविक डेटा विश्लेषण परिणाम NB-GAM पर आधारित हैं। हालांकि, जैविक प्रणालियों और scRNA-seq प्रोटोकॉल की जटिलता को महसूस करते हुए, हम स्यूडोटाइमडीई के उपयोगकर्ताओं के लिए एक विकल्प के रूप में NB-GAM और ZINB-GAM के बीच विकल्प छोड़ते हैं, और हम उपयोगकर्ताओं को उनके ज्ञात DE जीन को अतिरिक्त फ़ाइल 1 के रूप में प्लॉट करने के लिए प्रोत्साहित करते हैं: अंजीर। S15-S18 यह तय करने के लिए कि NB-GAM और ZINB-GAM में से कौन अपनी रुचि की जीन अभिव्यक्ति की गतिशीलता को बेहतर ढंग से पकड़ता है।

स्यूडोटाइमडीई का वर्तमान कार्यान्वयन डीई जीन की पहचान करने के लिए प्रतिबंधित है, जिसमें सेल वंश के भीतर अभिव्यक्ति में परिवर्तन होता है। जबकि GPfates [45], Monocle2 BEAM [46], और TradeSeq सहित विधियाँ यह परीक्षण कर सकती हैं कि क्या जीन की अभिव्यक्ति में परिवर्तन एक ब्रांचिंग घटना से जुड़ा है जो दो वंशों की ओर ले जाता है, वे वंशावली अनुमान की अनिश्चितता पर विचार नहीं करते हैं। इस तरह की टोपोलॉजी अनिश्चितता का हिसाब कैसे दिया जाए, यह एक चुनौतीपूर्ण खुला प्रश्न है, जैसा कि हमने अंजीर में देखा है। 2f और 6b कि अनुमानित वंश एक द्विभाजन टोपोलॉजी से कोशिकाओं के विभिन्न उपसमुच्चय पर एक त्रिभंग टोपोलॉजी में भिन्न हो सकता है। एक संभावित दिशा चयनात्मक अनुमान [47, 48] का उपयोग करना है, और हम इस प्रश्न की जांच को भविष्य के शोध पर छोड़ देंगे। इस टोपोलॉजी अनिश्चितता के मुद्दे के कारण, स्यूडोटाइमडीई एकल-कोशिका जीन अभिव्यक्ति डेटा के लिए सबसे उपयुक्त है जिसमें केवल एक सेल वंश (चक्रीय डेटा सहित) या अच्छी तरह से अलग किए गए सेल वंश (जैसे, द्विभाजन और ट्राइफुरेशन) की एक छोटी संख्या होती है। इसका कारण यह है कि ये डेटा सबसैंपलिंग के बाद स्थिर अनुमानित सेल टोपोलॉजी को बनाए रख सकते हैं, स्यूडोटाइमडीई की एक आवश्यक आवश्यकता। उस ने कहा, स्यूडोटाइमडीई को कई समान सेल वंश या एक जटिल सेल पदानुक्रम वाले डेटा के लिए डिज़ाइन नहीं किया गया है, वह डेटा जो उप-नमूनों में स्थिर अनुमानित सेल टोपोलॉजी को बनाए नहीं रख सकता है, क्योंकि ऐसे डेटा के लिए, सेल के बीच एक-से-एक मैच ढूंढना मुश्किल है। एक उप-नमूने से अनुमानित वंश और मूल डेटा से अनुमानित। फिर, इस तरह के डेटा के लिए एक व्यावहारिक समाधान पहले ब्याज की एक सेल वंश को परिभाषित करना है और फिर उस वंश को सौंपे गए कक्षों के लिए स्यूडोटाइमडीई लागू करना है।

खोजे जाने वाले अन्य खुले प्रश्न हैं। एक महत्वपूर्ण सवाल यह है कि हम छद्म समय के साथ डीई जीन की पहचान कब करना चाहते हैं? जैसा कि हमने "परिणाम" खंड में दिखाया है, अनुमानित छद्म समय अत्यधिक अनिश्चित हो सकता है। जैसा कि जीवविज्ञानी अक्सर कई भौतिक समय बिंदुओं पर कोशिकाओं को अनुक्रमित करते हैं यदि वे एक जैविक प्रक्रिया की जांच करना चाहते हैं, तो एक सीधा विश्लेषण उन डीई जीन की पहचान करना है जिनके भौतिक समय बिंदुओं में अभिव्यक्ति परिवर्तन होते हैं। फिर, हमारे पास डीई जीन की दो परिभाषाएं हैं: वे जीन जिनकी अभिव्यक्ति छद्म समय बनाम भौतिक समय में बदलती है। यह समझना कि कौन सी परिभाषा अधिक जैविक रूप से प्रासंगिक है, एक खुला प्रश्न है। एक और सवाल यह है कि क्या जैविक रूप से प्रासंगिक डीई जीन की पहचान करने के लिए छद्म समय को भौतिक समय के साथ एकीकृत करना संभव है। किसी भी प्रश्न का उत्तर देने के लिए एक सांख्यिकीय सूत्रीकरण की आवश्यकता होती है जो सीधे एक जैविक प्रश्न से जुड़ा होता है।

एक अन्य प्रश्न यह है कि सेल स्यूडोटाइम के साथ जीन-जीन सहसंबंधों का पता कैसे लगाया जाए। वर्तमान डीई विधियां केवल सीमांत जीन अभिव्यक्ति परिवर्तनों का पता लगाती हैं लेकिन जीन-जीन सहसंबंधों को अनदेखा करती हैं। यह स्पष्ट नहीं है कि जीन-जीन सहसंबंध स्थिर हैं या सेल स्यूडोटाइम के साथ भिन्न हैं। इसलिए, अनुमानित छद्म समय के साथ जीन-जीन सहसंबंध परिवर्तनों का पता लगाने के लिए एक नई सांख्यिकीय विधि एकल-कोशिका संकल्प पर जीन सह-अभिव्यक्ति और विनियमन में नई जैविक अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकती है।


4 निर्णय

PROSSTT जटिल विभेदन प्रक्रियाओं के लिए scRNA-seq डेटा का अनुकरण करता है। ट्री पुनर्निर्माण टूल द्वारा निर्मित निम्न-आयामी विज़ुअलाइज़ेशन वास्तविक डेटासेट के समान होते हैं। अनिश्चित जैविक जमीनी सच्चाई के साथ तेजी से जटिल डेटासेट उपलब्ध हो रहे हैं। PROSSTT ऐसे तरीकों के विकास में मदद कर सकता है जो इस तरह के जटिल पेड़ों को उनके मात्रात्मक मूल्यांकन को सुविधाजनक बनाकर पुनर्निर्माण कर सकते हैं। इसके अलावा, सॉफ्टवेयर की मॉड्यूलर प्रकृति आसान एक्सटेंशन की अनुमति देती है, उदाहरण के लिए PROSSTT शोर मॉडल के प्रभाव का परीक्षण करने और जैविक अंतर्दृष्टि प्रदान करने के लिए कैसे scRNA-seq डेटा को मॉडल और व्याख्या करने के लिए काम कर सकता है।


सेलुलर भेदभाव पर नोट्स | कोशिका विज्ञान

विभेदीकरण वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा जीन अधिमान्य रूप से सक्रिय होते हैं और जीन उत्पादों का उपयोग कोशिका में कुछ फेनोटाइपिक परिवर्तन लाने के लिए किया जाता है। यह बहुकोशिकीय जीवों की एकमात्र संपत्ति नहीं है। कई एककोशिकीय जीव शारीरिक प्रक्रियाओं में परिवर्तन के साथ-साथ फेनोटाइपिक परिवर्तनों से गुजरते हैं।

एककोशिक या शीगनिज्म के वातावरण में कोई भी परिवर्तन चाहे भौतिक या पोषक स्तर पर हो, उल्लेखनीय भौतिक कोशिकीय परिवर्तनों से गुजर सकता है जैसे कि विभिन्न प्रकार के बीजाणुओं का निर्माण, बैक्टीरिया में स्पोरुलेशन, कवक आदि।

ये एककोशिकीय जीवों में कोशिकीय विभेदन के उदाहरण हैं। उच्च या शर्मीलेपन, विशेष रूप से जानवरों में देखा गया भेदभाव अलग और जटिल है। इसने विकासात्मक जीवविज्ञानी को एक ही कोशिका, यानी युग्मनज से भ्रूण के विकास का अध्ययन करने के लिए आकर्षित किया है।

यह प्रक्रिया कई चरणों में होती है:

मैं। निषेचन:

ii. दरार:

ब्लास्टुला (अविभेदित कोशिकाओं का समूह) बनाने के लिए युग्मनज का विकास।

iii. गैस्ट्रुलेशन:

विशिष्ट कोशिका परतों के निर्माण के लिए कोशिकाओं का विभेदन और गति और झिलमिलाहट।

iv. भेदभाव:

ऊतकों, अंगों में विशेष कोशिकाओं का विकास और भ्रूण की वृद्धि।

वी कुछ कोशिकाओं की वृद्धि, रखरखाव और पुनर्जनन।

ओजोनसिस और निषेचन के दौरान आण्विक परिवर्तन:

मादा युग्मक के निर्माण की प्रक्रिया को ओजनेस के रूप में जाना जाता है। आदिम रोगाणु कोशिकाओं को ओगोनिया कहा जाता है। जब oogonia अर्धसूत्रीविभाजन शुरू करता है तो उन्हें oocytes कहा जाता है जहां एक व्यापक विकास चरण होता है।

oocyte के इस विकास चरण के दौरान, बड़ी संख्या में चयापचय और रूपात्मक परिवर्तन होते हैं।

मैं। आरएनए संश्लेषण में वृद्धि - पॉलीटीन जैसे परिवर्तनों के साथ, गुणसूत्र में पाए जाते हैं।

ii. राइबोसोमल जीन का प्रवर्धन होता है जिससे राइबोसोमल आरएनए के संश्लेषण में वृद्धि होती है। संबद्ध साइटोलॉजिकल परिवर्तन नाभिक में कई नाभिक और शायोली की घटना है।

iii. नाभिक का आकार बढ़ जाता है जो नाभिक के उपापचयी परिवर्तनों को दर्शाता है।

iv. प्रोटीन, लिपिड और कार्बो और शायहाइड्रेट का संचय होता है जिसका उपयोग भ्रूण के निर्माण के दौरान किया जाएगा। उच्च जानवरों में वे सभी पोषक तत्व विकासशील oocyte के यकृत और कूप कोशिकाओं द्वारा निर्मित होते हैं। हालांकि, स्तनधारी oocytes जर्दी प्रोटीन जमा नहीं करते हैं क्योंकि वे मां के रक्त प्रवाह के माध्यम से आते हैं और इस प्रकार पोषक तत्वों का भंडारण यहां आवश्यक नहीं है।

v. गैर-स्तनधारी oocyte में इसके विकास के दौरान ध्रुवीयता में विषमता पाई जाती है। कोशिका के एक छोर को वेजिटल पोल कहा जाता है जिसमें अधिकांश पोषक तत्व और जर्दी प्लेटलेट्स होते हैं। दूसरे छोर को एनिमल पोल कहा जाता है जिसमें नाभिक के अलावा राइबोसोम और माइटोकॉन्ड्रिया होते हैं।

इस छोर पर भ्रूण का विकास होता है। इन विकासात्मक परिवर्तनों के बाद, अंडकोशिका में अर्धसूत्रीविभाजन परिपक्व अंडाणु का उत्पादन करने के लिए होता है जो एक अत्यधिक विभेदित विशेष कोशिका है।

शुक्राणुजनन-शुक्राणुजन्य:

माइटोसिस द्वारा उनकी संख्या में वृद्धि होती है और फिर अर्धसूत्रीविभाजन से होकर शुक्राणु बनते हैं। कोशिकीय और अन्य आणविक परिवर्तन ओजनेस की तरह इतने महत्वपूर्ण नहीं हैं। भ्रूण के विकास के दौरान निषेचन के बाद काफी परिवर्तन देखने को मिलते हैं।

कोशिकीय विभेदन में साइटोप्लाज्म की भूमिका:

कोशिका विभेदन पर कोशिका द्रव्य के महत्व को बड़ी संख्या में प्रयोगों में प्रदर्शित किया गया है।

घोंघे का अंडा कोशिका विभेदन के दौरान वानस्पतिक छोर पर एक लोब जैसा संरचना और छिद्र उत्पन्न करता है जिसे ध्रुवीय लोब के रूप में जाना जाता है। यदि इस लोब को एक्साइज किया जाता है, तो दोषपूर्ण भ्रूण उत्पन्न होता है। फिर से, निषेचन के बाद कोशिका विभेदन के दौरान उभयचर अंडे में एक रंगीन क्षेत्र उत्पन्न होता है। इसे ग्रे क्रिसेंट के नाम से जाना जाता है। यदि ग्रे वर्धमान घायल हो जाता है तो यह तंत्रिका तंत्र में असामान्यता उत्पन्न करता है।

उभयचर अंडे के मामले में, यदि पहली दरार ग्रे वर्धमान के लंबवत है और परिणामी ब्लास्टोमेरे को अलग किया जाता है, तो प्रत्येक ब्लास्टोमेरे एक सामान्य जानवर का उत्पादन करेगा। लेकिन अगर दरार ग्रे वर्धमान के समानांतर होती है और अगर दो ब्लास्टोमेरेस अलग हो जाते हैं - तो ग्रे वर्धमान वाला सामान्य जानवर पैदा करेगा। इस प्रकार कोशिका का विभेदन कोशिका द्रव्य में पदार्थों के विभाजन पर निर्भर करता है।

राउंडवॉर्म, एस्केरिस के अंडे के भ्रूण के विकास के मामले में एक और अवलोकन किया गया है। भ्रूण के विकास के दौरान, पहली दरार पशु वनस्पति अक्ष के लंबवत होती है।

जब नए ब्लास्टोमेयर का जंतु ध्रुव विभाजित होने लगता है, तो गुणसूत्र का विषमवर्णी भाग विकृत हो जाता है। गुणसूत्र के यूक्रोमैटिक भाग को गुणसूत्र ह्रास नामक एक प्रक्रिया द्वारा कई छोटे गुणसूत्रों में विभाजित किया जाता है।

इस प्रकार भ्रूण के विकास और संकोच के दौरान गुणसूत्र का ह्रास होता है। अब थियोडोर बोवेरी ने एक प्रयोग किया जिसमें कोशिका की ध्रुवता को भंग करने के लिए अंडे को दरार से पहले सेंट्रीफ्यूज किया जाता है।

सेंट्रीफ्यूजेशन द्वारा, पशु और वनस्पति कोशिका द्रव्य दोनों का मिश्रण होता है और पहला दरार पशु वनस्पति अक्ष के साथ होता है जो इसके लंबवत नहीं होता है। कोई गुणसूत्र ह्रास नहीं होता है - यह गुणसूत्र व्यवहार में कोशिका द्रव्य की भूमिका को इंगित करता है।

फिर से, ड्रोसोफिला के भ्रूण के विकास के मामले में, प्राइमर्डियल जर्म कोशिकाएं आमतौर पर अंडे के पीछे के छोर से उत्पन्न होती हैं। इलमेन्सी और महोवाल्ड ने ड्रोसोफिला के अंडे के पीछे के छोर से कुछ साइटोप्लाज्म को हटाकर एक प्रयोग किया और फिर दूसरे अंडे के पूर्वकाल के अंत में इंजेक्ट किया। यह ध्यान दिया गया है कि इंजेक्शन वाले अंडे के पूर्वकाल के अंत से रोगाणु छत का उत्पादन किया जाता है।

इस प्रकार यह कहा जा सकता है कि कोशिका द्रव्य की कोशिकाओं में विभेदन उत्प्रेरण में महत्वपूर्ण भूमिका होती है। वयस्क कोशिकाओं में भी इसकी भूमिका का उल्लेख किया गया है। जब परिपक्व एरिथ्रोसाइट्स के निष्क्रिय नाभिक को सक्रिय कोशिकाओं के कोशिका द्रव्य में अंतःक्षिप्त किया जाता है, तो निष्क्रिय नाभिक ट्रांसक्रिप्शनल रूप से सक्रिय हो जाते हैं।

इसी तरह का प्रभाव अन्य प्रकार की कोशिकाओं में भी देखा गया है। इन सभी परिणामों से स्पष्ट रूप से पता चलता है कि कोशिका विभेदन के लिए साइटोप्लाज्मिक कारक जिम्मेदार हैं। लेकिन स्तनधारियों के मामले में, भ्रूण के विकास तक पहले दरार विभाजन के बाद भ्रूण कोशिकाएं पूर्ण रूप से सक्षम होती हैं।

यह 8 या 16 कोशिकाओं के चरण में माउस या खरगोश के भ्रूण को अलग करके इसका सबूत दिया गया है। प्रत्येक ब्लास्टोमेरे ब्लास्टोसिस्ट को जन्म देता है यदि उचित सांस्कृतिक स्थिति प्रदान की जाती है और ये ब्लास्टोसिस्ट एक अन्य मादा चूहे के गर्भाशय में आरोपण के बाद सामान्य जानवर का निर्माण करेंगे। अंडाणु की पूर्ण क्षमता का यह गुण उसके कोशिकाद्रव्य की समरूपता के कारण होता है।

प्लांट सिस्टम के मामले में एक व्यक्तिगत सेल द्वारा टोटिपोटेंसी की अवधारण का प्रदर्शन किया गया है। पौधे के किसी भी भाग से किसी भी कोशिका को संस्कृति में उगाया जा सकता है, जहां वे सबसे पहले अविभाजित ऊतक के द्रव्यमान का निर्माण करते हैं, जिसे कैलस के रूप में जाना जाता है।

यदि मीडिया में हार्मोन की उचित सांद्रता को पूरक किया जाए तो इस कैलस को पूरे पौधे में पुन: उत्पन्न किया जा सकता है। लेकिन पहले दरार विभाजन के बाद एकल पशु कोशिकाएं पूर्ण पशु नहीं बनेंगी, भले ही संस्कृति में उचित पोषक तत्व और अन्य शर्तें दी गई हों।

टॉड में परमाणु प्रत्यारोपण प्रयोग में जॉन गर्डन द्वारा पशु कोशिका की आनुवंशिक पूर्ण क्षमता का प्रदर्शन किया गया है, जिसमें दिखाया गया है कि प्रत्येक कोशिका में संपूर्ण या शैगनिज़्म के विकास के लिए आवश्यक सभी जीन होते हैं।

फिर भी पूरे जीव में विकास या विभेदन पशु प्रणाली में नहीं हुआ है। इस प्रकार शोधकर्ताओं ने सोचा कि प्रत्येक कोशिका प्रकार में जीन अभिव्यक्ति का पैटर्न अलग होता है, हालांकि सभी जीन प्रत्येक कोशिका में मौजूद होते हैं। इसलिए हम देखते हैं कि उच्च जीवों, विशेष रूप से जानवरों में जीन अभिव्यक्ति का नियंत्रण बहुत जटिल है।

दूसरे शब्दों में, जीन के प्राइमरी ट्रांसक्रिप्ट के कई प्रकार के पोस्ट-ट्रांसक्रिप्शनल संशोधनों को एक विशेष सेल भेदभाव या विकास के लिए आवश्यक अंतिम कार्यात्मक जीन उत्पाद के निर्माण में विनियमित किया जाता है।

कण और शीलर कोशिकीय विकास के लिए शामिल विशिष्ट जीनों के अध्ययन के लिए दो मॉडल जीवों का उपयोग किया जाता है। एक है राउंड एंड शेवॉर्म, कैनोर्हाडाइटिस एलिगेंस, और दूसरा है ड्रोसोफिला, सी. एलिगेंस।

इन्हें निम्नलिखित कारणों से विकासात्मक आनुवंशिकी में एक मॉडल के रूप में उपयोग किया जाता है:

मैं। लघु जीवन चक्र (3 दिन)।

ii. ई कोलाई जैसे रखरखाव में आसानी।

iii. स्वयं या क्रॉस-निषेचन द्वारा पुनरुत्पादन कर सकते हैं।

iv. उभयलिंगी (XX) - इसमें 5 जोड़े ऑटोसोम और 1 जोड़ी X गुणसूत्र होते हैं।

v. नर (XO) में ऑटो और श्योम के 5 जोड़े और एक X गुणसूत्र होता है।

vi. अगुणित जीनोम लगभग 8 x 10 7 बीपी है।

vii. 600 से अधिक जीन की पहचान की गई है।

viii. समयुग्मजी आबादी प्राप्त करना आसान है, क्योंकि स्व-निषेचन संभव है।

ix. उभयलिंगी आबादी में इन-ब्रीडिंग स्वचालित है।

एक्स। इस जानवर में विकास के चयनित चरण में माइक्रोइंजेक्शन और शिशन के माध्यम से डीएनए परिवर्तन संभव है।

उभयलिंगी और शीडाइट जानवर की प्रजनन प्रणाली विकास के प्रारंभिक चरणों में एक बिलोबेड संरचना का निर्माण करती है। प्रत्येक लोब में oocytes और भ्रूण बाहर के छोर से गर्भाशय तक विकसित होने लगते हैं। सभी चरणों का आसानी से पता लगाया जा सकता है और इस प्रकार विकास के चयनित चरण में डीएनए का माइक्रोइंजेक्शन किया जा सकता है।

ड्रोसोफिला पर एक अन्य महत्वपूर्ण कार्य ने होमोटिक जीन नामक जीन के नए वर्ग की खोज की। इन जीनों की पहचान उत्परिवर्तन के माध्यम से की गई, जहां शरीर के एक हिस्से को एक ऐसी संरचना से बदल दिया जाता है जो कहीं और पाई जाती है। यह असामान्य बात भ्रूण के विकास के दौरान होती है। होमोटिक जीन (Antp) के उत्परिवर्तन के परिणामस्वरूप ड्रोसोफिला के एंटीना के स्थान पर मध्य टांगों का निर्माण होता है।

होमोटिक जीन के आणविक विश्लेषण के परिणामस्वरूप अन्य होमोटिक जीनों में मौजूद 180bp अनुक्रम की खोज हुई है। इस क्रम को होमोबॉक्स के नाम से जाना जाता है। चूंकि होमोबॉक्स उच्च जानवरों में भी मौजूद है, इसलिए चूहों से मनुष्य तक जीन क्लोनिंग और अनुक्रमण किया गया है। इन जीनों का कार्य ड्रोसोफिला के समान ही पाया गया है।

उभयचर और स्तनधारियों के मामले में होमोबॉक्स जीन अत्यधिक विभेदित कोशिकाओं में व्यक्त किए जाते हैं। होम एंड शायोबॉक्स जीन विकासात्मक प्रक्रियाओं में बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाते पाए जाते हैं और वे विकास के दौरान अत्यधिक संरक्षित होते हैं।

सेलुलर भेदभाव के होमोटिक जीन:

During embryonic development in Drosophila, the identification of different segments of the body has been found to be under the control of many genes. Two complexes of these genes have been identified in Drosophila.

One is Antennapedia Complex (ANT-C) located in the chromosomal position 84AB. Another group of genes is known as Bi-thorax complex (BX-C) located at chromosomal position 89E. The first group (ANT-C) is responsible for the develop­ment of the head and thoracic segments while the BX-C are responsible for the development of the trunk segments.

The analysis of this homeotic complex has been done in Beetle also. One of the important features of these genes is the large size—about 50 to 100 kb and very large introns. The next important feature is the presence of con­served region, i.e., Homeobox.

The homeobox generally codes for a DNA binding protein domain, whose product binds to DNA. Another important characteristic is the presence of cis- acting regulatory regions.

Cellular differentiation, pattern formation and morphogenesis were studied in detail in case of plant Arabidiopsis as model system. It involves some factors which help in causing different cell types, organs etc. to originate at specific locations. This is also done by cell shape changes and planes of cell division. Cell differentiation is clearly noted during embryo- genesis.

Different and molecular observations were studied in maize and rice in case of monocotyledonous plants. In dicots, several genes involved in storage proteins have been cloned and their expressions noted in Soybean. However, detailed studies have been done in Crucifers, particularly in Arabidiopsis thaliana, in identifying embryo developmental genes but mutagenesis.

Arabidopsis has been accepted as a model system in having the following criteria:

मैं। Small size of the plant.

ii. Small size of the nuclear genome.

iv. Self-fertilizing bisexual flowers.

v. Large number of progeny in each flower.

vi. Starchy endosperm is absent.

Molecular studies show that a number of genes are involved during early and late stage embryogenesis in both zygote and somatic em­bryo. Different cell division patterns have been noted in somatic embryos. Many pattern genes have been identified in Arabidopsis through mutagenesis, which show seedling abnormali­ties.

These mutants were named gnom (gn), affecting the apical and basal region, gurke (gk) affecting the apical region, faeckel (fx) affecting the central part of the seedling. There is the other mutants which change the shape of the seedling.

Several methods have been used for cloning pattern genes which has been used as an in­serted probe to isolate the flanking DNA in Arabidopsis. T-DNA tagging approach is used to clone the first embryo pattern gene of Ara­bidopsis. The study of plant developmental genetics and cell differentiation have been changed con­siderably with the isolation of several mutant phenotypes and biochemical mutants in Ara­bidiopsis.

More than 500 embryo-defective mutants and many mutants showing aberration in vegetative development have been analysed in Arabidiop­sis. Arabidiopsis Biological Resource Centre has been established in the Ohio State Univer­sity for the supply of mutant seeds and DNA.

Some of these mutants have been found to alter in basic cellular functions necessary for normal growth and development, i.e., the function of ‘house-keeping genes’.

The molecular basis of these mutants have also been studied to find out the relationship between gene function and nor­mal development. The first known biochemical mutant noted in Arabidiopsis is bio I auxotroph (mutant 122 G-E).

This mutant bio I stops growth of the embryo at the heart stage of development but shows normal growth when biotin is added in the medium. The normal bio-synthetic pathway of biotin in bacteria is shown in Fig. 19.1.

It has been noted that bio I mutants were defective in the synthesis of 7, 8- diaminopelargonic acid from 7-keto 8 diaminopelargonic acid. This step is regulated in bacteria by bio A gene. When the bio A gene from bacteria is introduced into the bio I mutant plants, the transgenic plants do not require biotin for their growth.

Thus this experiment has shown that a plant mutant can be recovered to normal by the introduction of cloned bacterial gene.

Another mutant ‘gnom’ or emb 30 shows another type of defect in basic cellular function. Meinke (1985) first observed the morphologi­cal structure as fused cotyledons and rootless plants which can be grown in culture. He also identified the first allele (112A-2A) of this mutant.

Many other alleles have been identified in other laboratories. This mutant and other embryo-defective mutants showed alterations in embryonic pattern formation and altered pattern of cell division during embryo development.

DNA sequence analysis of this mutant (EMB 30) shows homology with the SEC 7 gene of yeast which helps in the protein transport from the Golgi, indicating its role in transporting some proteins to the cell surface. It may also have an alteration in the signal transduction pathway.

Another interesting mutant is ‘fusca’ which shows insufficient accumulation of anthocyanin in developing cotyledons. Seeds of this mutants germinate to produce defective seedling which fail to complete the life cycle. Sev­eral genes of ‘fusca’ mutants have now been cloned and sequenced. These are: FUSI/COPI FUS2/DETI, FUS6/COP11, FUS7/COP9 etc.’ These genes encode some novel proteins.

The product of COPI gene has N-terminal zinc binding domain and a C-terminal domain which shows homology with the B-sub-unit of G” proteins. Again, the sequence of FUS6 gene shows similarity with that of human gene GPSI. Thus, it can be said that G proteins also play an important role in signal transduction pathways of plants.

The pattern formation and morphogenesis go hand in hand during development in multicel­lular organisms. Cyto differentiation is nothing but a division of labour between component cells. During cyto differentiation, some alter­ations in the biochemical and structural prop­erties occur leading to functional specialisation.

In the developmental stage the formation of cell diversity is the process of cell pattern or shape formation where positional information determines the final development of a cell. In the plant systems, the presence of any devel­opmental memory has not been clearly pointed out.

But the involvement of some localised activ­ity of specific regulatory proteins in Cyto differentiation and development has been estab­lished. It has been observed that the de­velopment of floral organs in Arabidiopsis is regulated by some genes encoding transcription factors.

The generation of individual cell types within an organ is dependent on the cell autonomous expression of regulatory molecules. Larkin (1993) has shown the role of transcription factors in trichome differentiation.

The mutational studies have shown that mutations in a specific gene can inhibit the development of individual cellular domains, keeping the other domains normal. For example, monopteros mu­tation shows no development of hypocotyl and root but the shoot meristems and cotyledons are not affected.

But there are some mutants like emb 30/gnom, hydra/fuss rootless and ‘monopteros’ which show defective shape and also abnormalities in cell differentiation, par­ticularly in vascular tissue organisation.

That means the respective gene products are es­sential both for morphogenesis and cellular differentiation. Thus, the relative positioning of cells in plant development is very important to continue the cell-cell signalling events during morphogenesis.


Simulation of Stimulation: Cytokine Dosage and Cell Cycle Crosstalk Driving Timing-Dependent T Cell Differentiation

Triggering an appropriate protective response against invading agents is crucial to the effectiveness of human innate and adaptive immunity. Pathogen recognition and elimination requires integration of a myriad of signals from many different immune cells. For example, T cell functioning is not qualitatively, but quantitatively determined by cellular and humoral signals. Tipping the balance of signals, such that one of these is favored or gains advantage on another one, may impact the plasticity of T cells. This may lead to switching their phenotypes and, ultimately, modulating the balance between proliferating and memory T cells to sustain an appropriate immune response. We hypothesize that, similar to other intracellular processes such as the cell cycle, the process of T cell differentiation is the result of: (मैं) pleiotropy (pattern) and (द्वितीय) magnitude (dosage/concentration) of input signals, as well as (तृतीय) their timing and duration. That is, a flexible, yet robust immune response upon recognition of the pathogen may result from the integration of signals at the right dosage and timing. To investigate and understand how system's properties such as T cell plasticity and T cell-mediated robust response arise from the interplay between these signals, the use of experimental toolboxes that modulate immune proteins may be explored. Currently available methodologies to engineer T cells and a recently devised strategy to measure protein dosage may be employed to precisely determine, for example, the expression of transcription factors responsible for T cell differentiation into various subtypes. Thus, the immune response may be systematically investigated quantitatively. Here, we provide a perspective of how pattern, dosage and timing of specific signals, called interleukins, may influence T cell activation and differentiation during the course of the immune response. We further propose that interleukins alone cannot explain the phenotype variability observed in T cells. Specifically, we provide evidence that the dosage of intercellular components of both the immune system and the cell cycle regulating cell proliferation may contribute to T cell activation, differentiation, as well as T cell memory formation and maintenance. Altogether, we envision that a qualitative (pattern) and quantitative (dosage) crosstalk between the extracellular milieu and intracellular proteins leads to T cell plasticity and robustness. The understanding of this complex interplay is crucial to predict and prevent scenarios where tipping the balance of signals may be compromised, such as in autoimmunity.

कीवर्ड: (memory) T cell differentiation CDK MAmTOW autoimmunity cell cycle cytokine activation timing cytokine dosage p27Kip1.

आंकड़ों

T cell fate upon TCR activation and CD28 stimulation. (ए) Successful activation of…

Experimental design for establishing cytokine…

Experimental design for establishing cytokine requirement for differentiation to effector and memory T…

Cytokine dosage and administration timing…

Cytokine dosage and administration timing impact T cell fate. (ए) After activation, cytokines…

Role of the cyclin-dependent kinase…

Role of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27 Kip1 in memory T cell formation.…

Variability in protein dosage impacts…

Variability in protein dosage impacts system’s robustness. (ए) Protein expression may oscillate over…


Cell-based simulations of Notch-dependent cell differentiation on growing domains

Notch signalling controls cell differentiation and proliferation in many tissues. The Notch signal is generated by the interaction between the Notch receptor of one cell with the Notch ligand (Delta or Jagged) of a neighbouring cell. Therefore, the pathway requires cell-cell contact in order to be active. During organ development, cell differentiation occurs concurrently with tissue growth and changes in cell morphology. How growth impacts on Notch signalling and cell differentiation remains poorly understood. Here, we developed a modelling environment to simulate Notch signalling in a growing tissue. We use our model to simulate the differentiation process of pancreatic progenitor cells. Our results suggest that Notch-mediated differentiation in the developing pancreas is first mediated by geometric effects that result in loss of Notch signalling on the tissue boundary, leading to the differentiation of tip versus trunk cells. A second wave of differentiation further happens in the trunk cells due to a reduction in the expression of the ligand दांतेदार, which has been shown to be controlled by signalling factors secreted from the surrounding mesenchyme. Our results bring new insights into how cells coordinate tissue growth with cell fate specification during organ development.


2 Description

To simulate exponentially growing populations, DIFFpop uses the direct Stochastic Simulation Algorithm ( Gillespie, 1977) to advance the simulation by first determining the time until the next event followed by a stochastic choice of the type of event taking place. For fixed-size populations, DIFFpop simulates a multi-type modified Moran model using tau-leaping ( Gillespie, 2001) with the introduction of differentiation events, whereby events are coupled together to maintain fixed population sizes for instance, a mitosis event generating an additional cell is followed by a differentiation or apoptosis event to eliminate a cell. In both simulation scenarios, when a mitosis event occurs, one daughter cell may mutate to produce a new clone with probability u i ⁠ , where i is the population of the parent cell. In such situations, new clones are formed according to the infinite allele assumption ( Pakes, 1989), and the parameter for the change in fitness of the new clone is randomly chosen from a user-specified fitness distribution. As a default, fitness changes are drawn from a normal distribution such that the lower bound for the fitness of any clone is 0.

The flexible nature of the package allows the user to customize the process, easily change the underlying differentiation structure, parameters and distributions, and achieve updated results. The hierarchical structure, population types and attributes and event rates are specified using functions in R, allowing the user to quickly create multiple possible trees and implement simulations of each. Users may also vary the selective pressures at work in the cell populations by specifying population-level mutation rates and the distribution from which fitness changes of mutated cells are drawn. Setting the mutation probabilities to zero results in a process in which no new clones appear. Allowing for a positive mutation probability but setting the passenger probability, the probability that a mutation does not affect a clone’s fitness, to 1 simulates the infinite-allele process where mutations are recorded, but due to a lack of variability in fitness are selectively neutral ( McDonald and Kimmel, 2015). After simulation initiation, no new barcodes are created, and therefore the maximum total number of barcodes is set at the initiation of the simulation, allowing for the calculation of diversity indices to compare populations with different model settings.


Differentiation and the Fate of Cells

This animation describes the formation and fates of the three germ layers in a human embryo.

All cells in the human body originate from a group of embryonic stem cells called the inner cell mass (ICM), which is formed during an early stage of development called the blastocyst. As shown in the animation, the fates of these cells become more restricted and specialized as development progresses. In a later stage of development called the gastrula, the cells differentiate to form three germ layers: the ectoderm, the mesoderm, and the endoderm. Each layer gives rise to specific tissues with increasingly specialized cells.

This animation is a clip from a 2006 Holiday Lecture Series, Potent Biology: Stem Cells, Cloning, and Regeneration. Depending on students’ background, it may be helpful to pause the animation at various points to discuss different steps in the developmental process.

विवरण

blastocyst, cell division, ectoderm, embryonic stem cell, endoderm, gastrulation, germ layer, inner cell mass (ICM), mesoderm

इस संसाधन का उपयोग कैसे किया जा सकता है, इस बारे में जानकारी के लिए कृपया उपयोग की शर्तें देखें।