在復(fù)雜生命系統(tǒng)中，細(xì)胞狀態(tài)會(huì)隨著發(fā)育、組織重塑和疾病演化不斷變化。RNA速度分析（RNA velocity）為從靜態(tài)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中推斷細(xì)胞狀態(tài)演進(jìn)趨勢(shì)提供了重要手段。然而，在真實(shí)生物組織中，往往存在多種細(xì)胞動(dòng)態(tài)過(guò)程并行發(fā)生、相互交織的情況，空間上相鄰的細(xì)胞也可能遵循不同的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。現(xiàn)有RNA速度方法大多基于較為簡(jiǎn)化的單一動(dòng)力學(xué)假設(shè)，難以有效區(qū)分復(fù)雜組織中的異質(zhì)性信號(hào)，因此在解析復(fù)雜組織動(dòng)態(tài)規(guī)律時(shí)仍面臨挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一問(wèn)題，2026年3月30日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所翟巍巍/馬亮團(tuán)隊(duì)在National Science Review發(fā)表題為STEER: Decoupling kinetics with Spatial-Temporal Explainable Expert Model for RNA velocity inference的研究論文，提出了一種面向復(fù)雜組織異質(zhì)動(dòng)力學(xué)解析的RNA速度推斷新方法——STEER。該方法構(gòu)建了融合時(shí)空信息與可解釋混合專(zhuān)家機(jī)制的深度學(xué)習(xí)模型框架，突破了傳統(tǒng)RNA速度方法對(duì)單一動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜組織中異質(zhì)動(dòng)力學(xué)模式的顯式解耦。

圖1. STEER算法框架與下游應(yīng)用

STEER的核心思想是將“時(shí)空上下文建?！迸c“異質(zhì)動(dòng)力學(xué)解耦”相結(jié)合。一方面，方法綜合利用細(xì)胞間的轉(zhuǎn)錄相似性與空間鄰域關(guān)系，聯(lián)合學(xué)習(xí)細(xì)胞的潛在時(shí)空狀態(tài)表征；另一方面，通過(guò)可解釋的混合專(zhuān)家機(jī)制，自適應(yīng)地為不同細(xì)胞分配并擬合最優(yōu)動(dòng)力學(xué)子模型，從而區(qū)分和解耦混雜的動(dòng)力學(xué)模式?；谶@一設(shè)計(jì)，STEER不僅能夠推斷細(xì)胞狀態(tài)的演進(jìn)方向，還可聯(lián)合估計(jì)潛在時(shí)間，以及細(xì)胞基因?qū)用娴霓D(zhuǎn)錄、剪接和降解率等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。相較于傳統(tǒng)方法，STEER進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)力學(xué)機(jī)制差異的刻畫(huà)，推動(dòng)RNA速度分析由趨勢(shì)描述邁向機(jī)制解析。

為系統(tǒng)驗(yàn)證STEER的有效性，作者在多種模擬數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)上進(jìn)行了全面評(píng)估。結(jié)果表明，在不同細(xì)胞群體存在復(fù)雜動(dòng)力學(xué)混合、且動(dòng)力學(xué)規(guī)律并不一致的情況下，STEER仍能保持穩(wěn)健而準(zhǔn)確的推斷性能，在速度方向恢復(fù)、潛在時(shí)間排序和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)識(shí)別等方面均優(yōu)于現(xiàn)有代表性方法。尤其值得注意的是，STEER能夠在細(xì)胞表達(dá)差異尚不明顯時(shí)，提前捕捉群體內(nèi)部早期出現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)分歧。

在復(fù)雜空間組織研究中，STEER還展現(xiàn)出解析時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。該方法無(wú)需預(yù)先對(duì)空間區(qū)域進(jìn)行精細(xì)劃分，便可分離相鄰區(qū)域中不同甚至相反的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在小鼠母胎界面研究中，STEER揭示了胚胎側(cè)與母體側(cè)彼此協(xié)調(diào)、相互制衡的動(dòng)態(tài)調(diào)控模式，為理解發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞狀態(tài)時(shí)空演進(jìn)規(guī)律及其免疫調(diào)節(jié)機(jī)制提供了新的計(jì)算視角。

綜上，STEER針對(duì)復(fù)雜組織中多動(dòng)力學(xué)過(guò)程混合、傳統(tǒng)RNA速度方法難以準(zhǔn)確建模的關(guān)鍵瓶頸，提出了一個(gè)兼具準(zhǔn)確性、可解釋性與泛化能力的新框架。該方法實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的顯式解耦，并將空間信息、細(xì)胞狀態(tài)演進(jìn)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)建模統(tǒng)一起來(lái)，為發(fā)育生物學(xué)、組織穩(wěn)態(tài)和疾病演化等研究提供了新的動(dòng)態(tài)解析工具。隨著單細(xì)胞與空間組學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，STEER有望在復(fù)雜生命系統(tǒng)時(shí)空動(dòng)態(tài)機(jī)制研究中發(fā)揮更廣泛的作用。

中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所博士生劉志遠(yuǎn)為該論文第一作者，翟巍巍研究員與馬亮副研究員為論文通訊作者。

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag199

制版人： 十一

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