随机过程和表观遗传学如何解释为什么肿瘤细胞形态,转移和抵抗治疗
癌症往往被视为一种疾病源自基因突变导致细胞分裂失控,入侵身体的其他部位。但扩散的细胞远离他们的起源实际上是一个在某些情况下正常的过程。在怀孕早期胚胎洞穴进入子宫。从淋巴结免疫细胞传播网站的攻击入侵的细菌感染。和生殖细胞迁移到性腺将在早期人类发展。
癌症不是一个统一的疾病。相反,癌症是一种疾病表型可塑性,这意味着肿瘤细胞可以改变到另一个从一种形式或功能。这包括恢复不成熟状态,失去正常功能,从而导致治疗耐药性,或彻底改变他们的细胞类型促进转移。
除了直接的改变你的DNA在癌症,癌症恶化的关键驱动因素就是当你的DNA激活。如果你的DNA包含拼写出单个基因的“单词”,然后表观遗传学基因组的“语法”,告诉这些基因是否应该打开或关闭在一个给定的组织。尽管所有组织在体内几乎完全相同的DNA序列,他们都可以执行不同的功能,因为化学和结构改变哪些基因被激活,如何修改。这种“表观基因组“可以影响环境因素如饮食,增加了一个维度以外的人员如何理解司机的健康DNA代码继承自父母。
我是一个癌症研究人员,我的约翰霍普金斯大学实验室研究正常组织间的差异是如何由一个控制表观遗传代码,这段代码是如何打乱了癌症。在我们的最近发表的评论、同事安德烈Levchenko耶鲁大学和我描述的新方法理解癌症可塑性通过结合表观遗传学与数学。具体来说,我们建议特性转化的概念如何阐明癌症转移和对治疗产生耐药性的原因。
特性转化是什么?
特性转化是一个数学概念,是指一个过程中的步骤的随机性影响其结果的可预测性。阿尔伯特·爱因斯坦著名的研究这一概念应用到运动的粒子悬浮在液体或气体。研究人员可以应用特性转化研究传播,阻力和COVID-19进化的行为股票市场和几乎所有游戏在一个赌场。
一个关键的衡量的特性转化过程的方法熵量化不确定性的程度的一个结果。例如,一个公平抛硬币有一个熵,或较低的信息,因为没有办法预测是否抛硬币正面或反面。但加权抛硬币的熵为零,或高信息,结果是已知的,没有新的信息将通过扔硬币。
研究人员可以用熵来衡量的信息噪声在电信。熵也可以帮助玩家打游戏先。最大熵和预期最高的词新信息后想将是你最好的选择。
表观遗传学特性转化和癌症的关系在一起
将特性转化和熵纳入生物学允许研究人员更好地理解在癌症表型可塑性。这甚至可以思考发展包括可逆性,或移动对“时间箭头。”This departs from a more胚胎发育的典型观点观点组织变得逐渐和不可逆转地分化成他们的最终状态发展。
实验和计算生物学家正在用熵来理解底层的随机性细胞是内部组织,回复环境信号和成熟和组织形式。
在表观遗传学特性转化如何癌症的发展是至关重要的。例如,一个条件巴雷特食管发生在健康细胞在食道开发功能更像正常肠内皮细胞,这可能最终导致食道癌。这是进步的随机变化造成的表观遗传代码,更快,这种转变发生一旦达到一定阈值。这些表观遗传变化的随机性质也会导致熵增加这些基因的功能,对癌症和进展。
通过测量单个细胞的基因活动和表观遗传变化,生物学家和数学家可以比较熵在癌细胞与正常细胞周围。科学家们现在开始识别调节特性转化在癌症的基因组区域。尚未被同行评审的一项研究发现,熵有关染色体物理压实如何在细胞核中,另一个关键表观遗传机制在癌症控制基因活动。
有一个熵和衰老之间的联系。我和我的同事们发现人类的衰老与表观遗传的熵的增加能够在被阳光晒伤的皮肤。高熵的部分基因组的经验,人的皮肤会表观遗传信息的进一步损失,从而导致癌症。最近,研究人员已经确定了DNA损伤作为一个原因与年龄有关的熵在老鼠身上。因此,如果后生熵增加衰老和DNA损伤有关,这可能有助于解释为什么癌症风险随着年龄的增长明显增加。
通过识别表观遗传熵如何引发癌症,科学家们也许能够更好的检测癌症的早期阶段,和设计药物,减少熵减少的风险蔓延,成为抗肿瘤治疗。
也许最重要的是,表观遗传熵表明你不能完全理解癌症没有数学。生物学是赶上其他自然科学与生物实验结合数学方法。
