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Cell:將CRISPR與單細(xì)胞RNA-seq相結(jié)合 解決懸而未決的問題

日期:2016-12-19 08:57:32

 什么樣的突變組合能幫助癌細(xì)胞存活?大腦中哪些細(xì)胞參與了阿爾茨海默氏癥的發(fā)病?免疫細(xì)胞如何進行錯綜復(fù)雜的決策過程?現(xiàn)在,以色列魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員在一種方法中結(jié)合了兩種強大的研究工具——CRISPR基因編輯和單細(xì)胞基因組分析,最終可幫助我們解答這些問題,及其他懸而未決的問題。

 

這項新技術(shù)使得研究人員能夠在單個細(xì)胞內(nèi)操縱基因功能,并能以極高的分辨率了解每個變化的結(jié)果。科學(xué)家說,用這種方法進行的一次單一實驗,就可能與使用以前方法進行的數(shù)千次實驗相當(dāng),這可能推動基因工程應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進展。

 

CRISPR基因編輯技術(shù)已經(jīng)改變了全世界的生物學(xué)研究,其在人類的臨床應(yīng)用指日可待。CRISPR首次是在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的,作為一種原始的獲得性免疫系統(tǒng),可將病毒DNA剪切和粘貼到自己的基因組中來對抗病毒。近年來,研究人員已經(jīng)利用該細(xì)菌系統(tǒng),快速高效地把幾乎任何基因剪掉或插入到任何生物體或細(xì)胞中。這項研究的通訊作者、魏茨曼科學(xué)學(xué)院免疫學(xué)系的Ido Amit教授說:“但就CRISPR本身而言,它是一種生硬的研究工具,因為我們往往難以觀察或理解這一基因組編輯的結(jié)果。”Amit實驗室的Diego Jaitin博士補充說:“到目前為止,大多數(shù)的研究一直都在找非黑即白的效果,但是身體內(nèi)大部分的過程是復(fù)雜的,甚至是混亂的。”

 

Amit和他的研究團隊一直都在開發(fā)這種新方法的其他方面——單細(xì)胞RNA測序,一個快速發(fā)展的領(lǐng)域,對生物技術(shù)的許多研究領(lǐng)域都產(chǎn)生了影響。通過測定每個細(xì)胞的信使RNA分子——指示細(xì)胞活性的信息,研究人員能夠發(fā)現(xiàn)每個細(xì)胞的分子組成,并在特定的細(xì)胞群中識別微妙范圍的細(xì)胞身份和功能。Amit說:“這是一個新的分子顯微鏡。”在他的實驗室中,可以對體內(nèi)一個特定組織中的數(shù)千個細(xì)胞,同時進行測序,從而揭示細(xì)胞身份和功能的變化。這種方法已被用于了解從‘胎兒大腦發(fā)育的影響’到‘常見免疫細(xì)胞在我們的身體的各種組織中如何發(fā)揮不同的功能,包括它們參與癌癥或神經(jīng)退行性疾病’的一切信息。但是單細(xì)胞測序一直都是一種觀測工具,從而提供了一個給定組織樣本的快照。”

 

CRISPR與單細(xì)胞RNA測序的精細(xì)分辨率相結(jié)合,可以使研究人員能夠積極修補細(xì)胞中的基因,然后理解各種情況下它們在多種類型細(xì)胞內(nèi)的功能。Amit和他的團隊,包括第一作者Drs. JaitinIdo YofeAssaf Weiner,以及研究生David Lara Astiaso,所面臨的挑戰(zhàn)是,改進CRISPR基因編輯技術(shù),使其可以與單細(xì)胞測序相結(jié)合使用。該研究小組設(shè)想同時靶定多個基因,包括在同一個細(xì)胞中的聯(lián)合靶標(biāo),然后識別由此產(chǎn)生的細(xì)胞及其功能的變化。另一方面,這項活動需要開發(fā)同時識別靶細(xì)胞及引入它們的基因組編輯的新分子生物學(xué)技術(shù),另一方面,還需要開發(fā)新的計算方法,分析具有不同基因型和表型的細(xì)胞群體。

 

然后,研究人員會面對一種新的數(shù)據(jù)——有相當(dāng)多的缺失值。Weiner說:“通過將具有相似行為的細(xì)胞聯(lián)系在一起,就像Netflix算法將喜歡相似電影的人聚為一類,我們能夠識別許多基因以前未分級的功能。”他開發(fā)了這些算法來分析數(shù)據(jù)。

 

這種聯(lián)合方法可使研究小組能夠“探測”特定小鼠在對抗病原體時免疫細(xì)胞之間的聯(lián)系。這種“原則證明”實驗確定了對于各種免疫細(xì)胞功能非常重要的基因,并以高分辨率闡明了它們?nèi)绾沃笇?dǎo)一種復(fù)雜和集中的反應(yīng)對抗入侵的病原體。

 

科學(xué)家們說,將這兩種方法結(jié)合起來,可以提供單獨使用其中一種方法都不可能產(chǎn)生的新見解。Yofe說,這些結(jié)果,是在這一類型研究從未實現(xiàn)的一個分辨率上獲得的,并且這些是更容易獲得的,并在很短的時間內(nèi)。該方法的多功能性,再加上團隊通過實驗開發(fā)的精確度,表明它可以在未來用于探討許多懸而未決的問題,并產(chǎn)生沒有人可以預(yù)測的新結(jié)果。

 

Ami實驗室這項研究的結(jié)果刊登在1215日的《Cell》雜志,連同Broad研究所和加州大學(xué)舊金山分校開發(fā)的兩項類似技術(shù)的描述。Amit說:“CRISPR的出現(xiàn),代表了我們理解并開始編輯免疫回路的能力發(fā)生了真正的飛躍。我們希望,我們的方法將是下一個飛躍,從而提供設(shè)計免疫細(xì)胞用于免疫療法的能力。”

 

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