Cell:將CRISPR和單細胞RNA測序結合在一起分析基因功能

2020-11-23 生物谷

2016年12月17日/生物谷BIOON/---哪些突變組合有助癌細胞存活？大腦中哪些細胞參與阿爾茨海默病發生？免疫細胞如何執行它們的複雜決策過程？如今，在一項新的研究中，來自以色列魏茲曼科學研究所等機構的研究人員在一種方法中將兩種強大的研究工具--- CRISPR基因編輯和單細胞基因組分析---結合在一起，從而可能最終有助我們解答這些問題和更多的其他問題。相關研究結果發表在2016年12月15日那期

Cell

期刊上，論文標題為「Dissecting Immune Circuits by Linking CRISPR-Pooled Screens with Single-Cell RNA-Seq」。

這種新技術能夠讓研究人員在單細胞中操縱基因功能，和非常高解析度地理解每種變化的結果。他們說，利用這種方法開展的單個實驗可能相當於利用之前的方法開展的上千次實驗，而且它可能加快基因工程領域的發展。

基因編輯技術CRISPR已正在改變著全世界生物學研究，而且它的臨床使用馬上就要來臨了。CRISPR最初是在細胞中作為一種原始的獲得性免疫系統而被發現的：它切割病毒DNA，並將它的部分片段粘貼到它們自己的基因組中來抵抗病毒。近年來，這種細菌系統已被科學家們用來快速地和高效地切割或插入幾乎任何一種基因到任何一種有機體或細胞中。論文通信作者、魏茲曼科學研究所免疫學系Ido Amit教授說，「但是，就其本身而言，CRISPR是一種生硬的研究工具，這是因為我們經常很難觀察到或理解這種基因組編輯的結果。迄今為止，大多數研究尋找非黑即白的效果，但是體內的絕大多數過程是複雜的，而且甚至是混亂的。」

Amit和他的實驗室一直在開發這種新方法的第二部分：單細胞RNA測序。通過對每個細胞中的mRNA分子進行測序，他們能夠揭示出每個細胞的分子組分，以及區分一種給定的細胞群體中細胞身份和功能的細微差別。Amit說，「它是一種新的分子顯微鏡。」來自體內特定組織中的上千個細胞能夠在他的實驗室中加以測序，從而可揭示出細胞身份和功能上的差異。這種方法已被用來理解從胎兒大腦發育的影響到常見的免疫細胞在我們體內的多種組織中如何發揮著不同的功能---包括它們參與癌症或神經退化---在內的任何事情。但是單細胞測序主要是一種觀察工具，提供一種給定組織樣品的快照圖。

將CRISPR與高解析度的單細胞RNA測序結合在一起能夠讓研究人員主動地調整細胞中的基因，然後理解它們在多種條件下在多種細胞中的功能。Amit和他的團隊（包括論文第一作者Diego Adhemar Jaitin、Ido Yofe和Assaf Weiner，研究生David Lara-Astiaso）面臨的挑戰是改編CRISPR基因編輯技術以便它能夠與單細胞測序結合在一起使用。Amit團隊想像著一次靶向多種基因，包括靶向同一個細胞中的多個靶標，然後鑑定出給細胞帶來的變化和這些基因的功能。一方面，這項任務需要開發新的分子技術以便同時鑑定出靶細胞和引入到它們當中的基因組編輯。另一方面，這項任務需要開發新的計算方法來分析具有不同基因型和表型的細胞群體。

研究人員隨後遇到一種新的數據類型---伴隨著一些遺失的數值。Weiner說，「通過將細胞與類似的行為關聯在一起，Netflix算法等被用來將喜歡類似電影的人們進行歸類，我們能夠鑑定出很多基因之前未被分類的功能。」 Weiner開發出這些算法來分析這些數據。

當特定的小鼠免疫細胞抵抗病原體時，這種組合方法能夠讓研究人員「探究和分析」它們。這種「原理驗證」實驗鑑定出在多種免疫系統功能中發揮重要作用的基因，並且高解析度地解釋它們如何指導一種複雜的集中反應來抵抗入侵的病原體。

Amit說，「CRISPR的降臨代表著理解免疫迴路和開始對它進行編輯的能力上取得真正的突破。我們正希望我們的方法將是下一個突破，以便能夠對免疫細胞進行改造用於免疫療法。」（生物谷 Bioon.com）

本文系生物谷原創編譯整理，歡迎轉載！點擊 獲取授權 。更多資訊請下載生物谷APP。Dissecting Immune Circuits by Linking CRISPR-Pooled Screens with Single-Cell RNA-Seq

Diego Adhemar Jaitin, Assaf Weiner5, Ido Yofe5, David Lara-Astiaso, Hadas Keren-Shaul, Eyal David, Tomer Meir Salame, Amos Tanay, Alexander van Oudenaarden, IdoAmit

doi:

10.1016/j.cell.2016.11.039

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2017（第四屆）基因編輯與臨床應用研討會

會議時間：2017.6.9 -6.10      會議地點：上海

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