国外科技网站《大思想》刊载健康专家文章：表观遗传熵表明，没有数学就无法完全理解癌症
随机性无处不在——找到无序的秩序可以开启理解生物学的新途径
症通常被视为一种由基因突变引起的疾病，导致细胞不受控制地分裂并侵入身体的其他部位。但在某些情况下，细胞从其起源扩散实际上是一个正常的过程。
癌症不是一种统一的疾病。相反，癌症是一种表型可塑性疾病，这意味着肿瘤细胞可以从一种形式或功能转变为另一种形式或功能。这包括恢复到不太成熟的状态并失去其正常功能，这可能导致治疗耐药性，或完全改变其细胞类型，从而促进转移。
癌症通常被视为一种由基因突变引起的疾病，导致细胞不受控制地分裂并侵入身体的其他部位。但在某些情况下，细胞从其起源扩散实际上是一个正常的过程。胚胎在怀孕早期钻入子宫。免疫细胞从淋巴结扩散到感染部位，以攻击入侵的细菌。生殖细胞迁移到人类早期发育过程中性腺的位置。
除了癌症中DNA的直接变化外，癌症进展的一个关键驱动因素是DNA被激活的地点和时间。如果你的DNA包含拼写单个基因的“单词”，那么表观遗传学就是你基因组的“语法”，告诉这些基因在给定组织中是应该打开还是关闭它们。尽管体内所有组织都具有几乎完全相同的DNA序列，但由于化学和结构修饰会改变哪些基因被激活以及如何激活，它们都可以执行不同的功能。这种“表观基因组”可能会受到饮食等环境暴露的影响，这为研究人员如何理解健康驱动因素增加了一个维度，而不仅仅是从父母那里继承的DNA密码。
约翰霍普金斯大学的一名癌症研究人员Andrew Feinberg在实验室中研究正常组织之间的差异如何由表观遗传密码控制，以及该密码如何在癌症中被破坏。在我们最近发表的评论中，他和耶鲁大学的同事Andre Levchenko在最近发表的评论中描述了一种通过将表观遗传学与数学相结合来理解癌症可塑性的新方法。具体来说，我们提出了随机性的概念如何阐明为什么癌症会转移并对治疗产生抗药性。
什么是随机性？
随机性是一个数学概念，指的是过程中步骤的随机性会影响其结果的可预测性。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）研究了这一应用于悬浮在液体或气体中的粒子运动的著名概念。研究人员可以应用随机性来研究 COVID-19 的传播、抵抗和演变、股票市场的行为以及赌场内的几乎所有游戏。
衡量过程随机性的一个关键方法是熵，它量化了结果的不确定性程度。例如，公平抛硬币的熵为1或低信息，因为无法预测抛硬币是正面还是反面。但是加权抛硬币的熵为零或高信息，因为结果已经知道，抛硬币不会获得新的信息。
研究人员可以使用熵来测量电信中的信息噪声量。熵还可以帮助玩家击败游戏Wordle。每次猜测后熵最高的单词，因此最大的预期新信息将是你最好的选择。
表观遗传学将随机性和癌症联系在一起
将随机性和熵纳入生物学使研究人员能够更好地了解癌症的表型可塑性。这甚至可以通过包括可逆性或与“时间之箭”背道而驰来重新定义发展。这与胚胎发育的更经典观点背道而驰，认为组织在发育过程中逐渐且不可逆转地分化为最终状态。
实验和计算生物学家正在使用熵来了解细胞内部组织，对环境信号做出反应以及成熟和形成组织的潜在随机性。
表观遗传学中的随机性对癌症如何进化至关重要。例如，当食道中的健康细胞发展出更像肠道内壁细胞通常具有的特征时，就会发生一种称为巴雷特食管的疾病，这最终可能导致食道癌。这是由表观遗传密码的渐进性随机变化引起的，一旦达到某个阈值，这种变化就会发生得更快。这些表观遗传变化的随机性质也导致这些基因功能的熵增加，并发展为癌症。
通过测量单个细胞的基因活性和表观遗传变化，生物学家和数学家可以将癌细胞中的熵与其周围的正常细胞进行比较。科学家们现在开始确定介导癌症随机性的基因组区域。一项尚未经过同行评审的研究发现，熵与染色体在细胞核中的物理压缩方式有关，这是控制癌症基因活性的另一种关键表观遗传机制。
熵和衰老之间也存在联系。我和我的同事发现，人类衰老与晒伤皮肤表观遗传熵的增加有关。具有高熵的基因组部分在暴露在阳光下的皮肤中会进一步失去表观遗传信息，这可能导致癌症。最近，研究人员已经确定DNA损伤是小鼠这种年龄相关熵的原因。因此，如果表观遗传熵随着衰老而增加并与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而显着增加。
通过确定表观遗传熵如何引发癌症，科学家们可能能够在早期阶段更好地检测癌症，并设计出减少熵的药物，从而降低肿瘤扩散和对治疗产生抗药性的风险。
也许最重要的是，表观遗传熵表明，没有数学就无法完全理解癌症。生物学正在遇上其他硬科学，将数学方法与生物实验相结合。
