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細(xì)胞作為一個(gè)分子機(jī)器是地球生命體的基本組成單元，而細(xì)胞器是細(xì)胞內(nèi)承擔(dān)各種專有功能的元件，其中內(nèi)體和溶酶體（統(tǒng)稱內(nèi)溶酶體，endolysosomes）承擔(dān)物質(zhì)運(yùn)輸、回收降解和信號(hào)傳導(dǎo)等關(guān)鍵功能，其在細(xì)胞質(zhì)中呈“走走停停”的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式，相關(guān)運(yùn)動(dòng)功能失調(diào)與多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)，但其運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)制長(zhǎng)期未得到系統(tǒng)闡明。

近日，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所多模態(tài)人工智能系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算生物學(xué)與機(jī)器智能（CBMI）團(tuán)隊(duì)采用基于深度學(xué)習(xí)的圖像分析技術(shù)，首次系統(tǒng)解析了內(nèi)溶酶體的動(dòng)態(tài)模式及其局部環(huán)境特征，揭示了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是調(diào)控內(nèi)溶酶體運(yùn)動(dòng)模式切換的關(guān)鍵樞紐。這項(xiàng)研究展示了人工智能在解析細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的突破性優(yōu)勢(shì)，為理解細(xì)胞器間如何在空間上實(shí)現(xiàn)其專有功能的協(xié)調(diào)提供了全新視角。相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。

從“觀察軌跡”到“理解機(jī)制”的飛躍

傳統(tǒng)細(xì)胞動(dòng)力學(xué)研究依賴人工標(biāo)注和手動(dòng)軌跡分析，難以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)的高通量及各種致病條件下內(nèi)溶酶體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。AI深度學(xué)習(xí)不僅能自動(dòng)重建數(shù)千條內(nèi)溶酶體軌跡，還能提取其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、空間分布與微環(huán)境特征，從而實(shí)現(xiàn)前所未有的動(dòng)態(tài)全景圖重建。

CBMI研究團(tuán)隊(duì)整合單粒子追蹤、空間分布分析和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）形態(tài)學(xué)分析，構(gòu)建了全自動(dòng)圖像解析流程，實(shí)現(xiàn)了海量細(xì)胞器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的多模態(tài)整合與精準(zhǔn)解析，推動(dòng)了研究從“觀察運(yùn)動(dòng)”到“解析機(jī)制”的飛躍。相關(guān)成果將被集成于中國(guó)科學(xué)院部署的磐石科學(xué)基礎(chǔ)大模型與磐石·數(shù)字細(xì)胞平臺(tái)。

AI賦能生命科學(xué)核心發(fā)現(xiàn)：細(xì)胞骨架與內(nèi)膜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)機(jī)制

基于以上人工智能工具，研究者首次揭示了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）連接點(diǎn)作為細(xì)胞器動(dòng)態(tài)調(diào)控“交通樞紐”的關(guān)鍵作用，發(fā)現(xiàn)內(nèi)溶酶體在ER網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——全局快速移動(dòng)、局部慢速移動(dòng)與暫停。

研究顯示，這些暫停事件常伴隨內(nèi)體-溶酶體瞬時(shí)互作及細(xì)胞器裂變，提示細(xì)胞的動(dòng)態(tài)骨架與細(xì)胞器交通網(wǎng)絡(luò)之間存在精細(xì)的信號(hào)耦合。

這項(xiàng)研究不僅凸顯了人工智能在解析細(xì)胞復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，也為從海量成像數(shù)據(jù)中提煉疾病相關(guān)機(jī)制性知識(shí)提供了全新方法，將加速生命科學(xué)研究向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所副研究員李文靜為論文第一作者，楊戈研究員為論文通訊作者。主要合作者還包括中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所胡俊杰研究員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)、中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。

論文信息：

Endoplasmic reticulum junctions serve as a platform for endosome-lysosome interactions through their stop-and-go motion switching，Science Advances，Volume 11,Issue 38，Sep 2025.?

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來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所