The improved in vitro regulation of human embryonic stem cell (hESC) pluripotency and differentiation trajectories is required for their promising clinical applications. The temporal and spatial quantification of the molecular interactions controlling pluripotency is also necessary for the development of successful mathematical and computational models. Here we use time-lapse experimental data of OCT4-mCherry fluorescence intensity to quantify the temporal and spatial dynamics of the pluripotency transcription factor OCT4 in a growing hESC colony in the presence and absence of BMP4. We characterise the internal self-regulation of OCT4 using the Hurst exponent and autocorrelation analysis, quantify the intra-cellular fluctuations and consider the diffusive nature of OCT4 evolution for individual cells and pairs of their descendants. We find that OCT4 abundance in the daughter cells fluctuates sub-diffusively, showing anti-persistent self-regulation. We obtain the stationary probability distributions governing hESC transitions amongst the different cell states and establish the times at which pro-fate cells (which later give rise to pluripotent or differentiated cells) cluster in the colony. By quantifying the similarities between the OCT4 expression amongst neighbouring cells, we show that hESCs express similar OCT4 to cells within their local neighbourhood within the first two days of the experiment and before BMP4 treatment. Our framework allows us to quantify the relevant properties of proliferating hESC colonies and the procedure is widely applicable to other transcription factors and cell populations.

改进的体外人类胚胎干细胞 (hESC) 多能性和分化轨迹的调节对于它们有前景的临床应用是必需的。控制多能性的分子相互作用的时间和空间量化对于开发成功的数学和计算模型也是必要的。在这里，我们使用 OCT4-mCherry 荧光强度的延时实验数据来量化在存在和不存在 BMP4 的情况下生长的 hESC 菌落中多能性转录因子 OCT4 的时空动态。我们使用赫斯特指数和自相关分析来描述 OCT4 的内部自我调节，量化细胞内波动并考虑 OCT4 进化对单个细胞及其后代的扩散性质。我们发现子细胞中的 OCT4 丰度呈亚扩散性波动，显示出抗持久性自我调节。我们获得了控制不同细胞状态之间 hESC 转换的平稳概率分布，并确定了 pro-fate 细胞（后来产生多能或分化细胞）在菌落中聚集的时间。通过量化相邻细胞中 OCT4 表达之间的相似性，我们表明在实验的前两天和 BMP4 处理之前，hESC 表达了与其局部邻域内的细胞相似的 OCT4。我们的框架使我们能够量化增殖 hESC 菌落的相关特性，并且该程序广泛适用于其他转录因子和细胞群。表现出反持久的自我调节。我们获得了控制不同细胞状态之间 hESC 转换的平稳概率分布，并确定了 pro-fate 细胞（后来产生多能或分化细胞）在菌落中聚集的时间。通过量化相邻细胞中 OCT4 表达之间的相似性，我们表明在实验的前两天和 BMP4 处理之前，hESC 表达了与其局部邻域内的细胞相似的 OCT4。我们的框架使我们能够量化增殖 hESC 菌落的相关特性，并且该程序广泛适用于其他转录因子和细胞群。表现出反持久的自我调节。我们获得了控制不同细胞状态之间 hESC 转换的平稳概率分布，并确定了 pro-fate 细胞（后来产生多能或分化细胞）在菌落中聚集的时间。通过量化相邻细胞中 OCT4 表达之间的相似性，我们表明在实验的前两天和 BMP4 处理之前，hESC 表达了与其局部邻域内的细胞相似的 OCT4。我们的框架使我们能够量化增殖 hESC 菌落的相关特性，并且该程序广泛适用于其他转录因子和细胞群。我们获得了控制不同细胞状态之间 hESC 转换的平稳概率分布，并确定了 pro-fate 细胞（后来产生多能或分化细胞）在菌落中聚集的时间。通过量化相邻细胞中 OCT4 表达之间的相似性，我们表明在实验的前两天和 BMP4 处理之前，hESC 表达了与其局部邻域内的细胞相似的 OCT4。我们的框架使我们能够量化增殖 hESC 菌落的相关特性，并且该程序广泛适用于其他转录因子和细胞群。我们获得了控制不同细胞状态之间 hESC 转换的平稳概率分布，并确定了 pro-fate 细胞（后来产生多能或分化细胞）在菌落中聚集的时间。通过量化相邻细胞中 OCT4 表达之间的相似性，我们表明在实验的前两天和 BMP4 处理之前，hESC 表达了与其局部邻域内的细胞相似的 OCT4。我们的框架使我们能够量化增殖 hESC 菌落的相关特性，并且该程序广泛适用于其他转录因子和细胞群。通过量化相邻细胞中 OCT4 表达之间的相似性，我们表明在实验的前两天和 BMP4 处理之前，hESC 表达了与其局部邻域内的细胞相似的 OCT4。我们的框架使我们能够量化增殖 hESC 菌落的相关特性，并且该程序广泛适用于其他转录因子和细胞群。通过量化相邻细胞中 OCT4 表达之间的相似性，我们表明在实验的前两天和 BMP4 处理之前，hESC 表达了与其局部邻域内的细胞相似的 OCT4。我们的框架使我们能够量化增殖 hESC 菌落的相关特性，并且该程序广泛适用于其他转录因子和细胞群。