近日，我校左永春教授团队和罗辽复教授合作在哺乳动物细胞编程与重编程研究领域取得重要科研进展，相关成果以“Characterizing Cellular Differentiation Potency and Waddington Landscape via Energy Indicator”为题，提出了一种基于能量指标定量描述沃丁顿景观中哺乳动物早期胚胎发育和体细胞重编程过程细胞状态的方法，研究论文发表在国际知名期刊Research杂志。Research是2018年由中国科协和美国科学促进会共同创办的首本定位为国际一流、高影响力、综合性大型OA科技期刊，影响因子11.036，属于中科院综合类一区TOP期刊，已连续第3年获得“中国最具国际影响力学术期刊”。

沃丁顿景观（WaddingtonLandscape）是一个描述细胞分化过程的概念模型，其中细胞的分化被比喻为石块沿着不同的轨道从山坡上滚落入不同的山谷。细胞在Waddington景观中所处的不同高度代表其不同的分化潜能。该模型也常常被扩展至用于解释转分化和重编程等过程。然而，对这种隐喻化的模型进行分子层面的定量描述一直是计算生物学中的研究目标之一。传统上，表征细胞的分化潜能依赖于已知标记的转录组、染色质状态等特征。尽管这些分子特征可以将特定阶段的细胞彼此区分开来，但仅仅基于少数标记无法反映细胞的全局分子特征，也不适合识别新的细胞群。

这项研究中，研究团队基于一种反馈式神经网络—Hopfield神经网络（HNN）提出了一种新的能量指标，它可以在不依赖于先验知识的情况下定量表征细胞的分化潜力，从而提供了一种量化Waddington景观的途径。

首先，研究人员基于Hopfield能量定量评估了包括全能样干细胞（TLSCs）、全能卵裂球样细胞（TBLCs）、2细胞样细胞（2CLCs）、扩展多能干细胞（EPSCs）和胚胎干细胞（ESCs）在内的不同来源干细胞的分化潜力，结果显示细胞的高分化潜能与较高的能量值相关，表明了Hopfield能量可以提供一种比多能性特征更普遍的分化能力测量方法。

接下来，研究人员描述了胚胎发生和体细胞重编程过程中的Waddington能量景观。单细胞分辨率的能量景观进一步证实了细胞命运决定是在一个连续过程中逐步确定的。最后，该研究在Waddington能量景观上分别动态模拟了胚胎发生和体细胞重编程过程中细胞状态的连续转变，并提出重要性分数（importancescore, IS）有效地识别了驱动细胞命运转变的关键因子，为有目的地控制细胞命运转变提供了理论指导。

该工作由我校生命科学学院、省部共建草原家畜生殖调控与繁育国家重点实验室与物理科学与技术学院合作完成。2021级博士研究生李寒霜为论文第一作者，2021级博士龙春伸为论文的共同第一作者，左永春教授和罗辽复教授为共同通讯作者。该研究得到了国家高层次特殊人才支持计划、国家自然科学基金（62061034, 62171241）、内蒙古自治区关键技术攻关项目（2021GG0398）的支持。

通讯作者简介：

罗辽复，内蒙古大学建校元勋、物理学科奠基人、教授、博士生导师，国内信息生物学概念的创立者之一，我国著名的理论物理学家和理论生物物理学家，提出了“密码—序列—构象—动力学”的理论生物学研究路线，为我国在这一新型交叉学科的基础研究做出了重要贡献。先后出版专著《量子场论》《非平衡统计理论》《理论生物物理学论文集》《生命进化的物理观》（科学专著丛书）《分子生物学的理论物理途径（英文版）》。1978年获全国科学大会先进工作者称号，1980年获内蒙古自治区科技成果一等奖，1999年获国家自然科学奖三等奖和宝钢教育奖优秀教师特等奖，2001年获全国优秀科技工作者称号和全国模范教师称号，2006年获全国杰出专业技术人才，2007年获何梁何利基金会何梁何利科学与技术进步奖的生命科学奖和国家科技进步二等奖，2009年获内蒙古自治区自然科学奖一等奖和内蒙古自治区科学技术特别贡献奖，2019年中央宣传部授予“最美支边人物”称号、2020年获中国生物信息学学会（筹）颁发的首届中国生物信息学终身成就奖。

左永春，2011年在内蒙古大学获生物物理学博士学位，现为内蒙古大学生命科学学院三级教授/博士生导师，研究方向为生物信息学。国家青年拔尖人才，内蒙古杰出青年基金获得者，内蒙古"草原英才"，内蒙古青年科技英才，内蒙古新世纪“321人才工程”等。主持承担国家高层次特殊人才支持计划、国家重点研发计划子课题（联合主持）、国家自然科学基金面上、青年等项目7项，及内蒙古自治区杰出青年基金、关键技术攻关等项目10多项。担任国际Current Gene Therapy期刊编委，中国生物信息学会表观遗传信息学专委会秘书长、中国细胞生物学学会专委会委员、中国计算机学会专委会通讯委员、内蒙古健康数字学会秘书长、内蒙古生物物理与生物信息学会副秘书长等。以第一（通讯）作者在Nucleic Acids Research、Research、Cellular and Molecular Life Sciences、Briefings in Bioinformatics等期刊发表学术论文80多篇，引用次数超2300次，先后6篇成果入选ESI 1%高被引论文。 

论文链接:https://doi.org/10.34133/research.0118

（供稿：生命科学学院   编辑：李文娟   审核：刘雪峰）