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Cell:将CRISPR与单细胞RNA

时间:2016-12-21 07:02 作者:生物观察
 

 

 


什么样的突变组合能帮助癌细胞存活?大脑中哪些细胞参与了阿尔茨海默氏症的发病?免疫细胞如何进行错综复杂的决策过程?现在,以色列魏茨曼科学研究所的研究人员在一种方法中结合了两种强大的研究工具——CRISPR基因编辑和单细胞基因组分析,最终可帮助我们解答这些问题,及其他悬而未决的问题。这项新技术使得研究人员能够在单个细胞内操纵基因功能,并能以极高的分辨率了解每个变化的结果。科学家说,用这种方法进行的一次单一实验,就可能与使用以前方法进行的数千次实验相当,这可能推动基因工程应用于医学领域的进展。CRISPR基因编辑技术已经改变了全世界的生物学研究,其在人类的临床应用指日可待。CRISPR首次是在细菌中发现的,作为一种原始的获得性免疫系统,可将病毒DNA剪切和粘贴到自己的基因组中来对抗病毒。近年来,研究人员已经利用该细菌系统,快速高效地把几乎任何基因剪掉或插入到任何生物体或细胞中。这项研究的通讯作者、魏茨曼科学学院免疫学系的Ido Amit教授说:“但就CRISPR本身而言,它是一种生硬的研究工具,因为我们往往难以观察或理解这一基因组编辑的结果。”Amit实验室的Diego Jaitin博士补充说:“到目前为止,大多数的研究一直都在找非黑即白的效果,但是身体内大部分的过程是复杂的,甚至是混乱的。”
Amit和他的研究团队一直都在开发这种新方法的其他方面——单细胞RNA测序,一个快速发展的领域,对生物技术的许多研究领域都产生了影响。通过测定每个细胞的信使RNA分子——指示细胞活性的信息,研究人员能够发现每个细胞的分子组成,并在特定的细胞群中识别微妙范围的细胞身份和功能。Amit说:“这是一个新的分子显微镜。”在他的实验室中,可以对体内一个特定组织中的数千个细胞,同时进行测序,从而揭示细胞身份和功能的变化。这种方法已被用于了解从‘胎儿大脑发育的影响’到‘常见免疫细胞在我们的身体的各种组织中如何发挥不同的功能,包括它们参与癌症或神经退行性疾病’的一切信息。但是单细胞测序一直都是一种观测工具,从而提供了一个给定组织样本的快照。”将CRISPR与单细胞RNA测序的精细分辨率相结合,可以使研究人员能够积极修补细胞中的基因,然后理解各种情况下它们在多种类型细胞内的功能。Amit和他的团队,包括第一作者Drs. Jaitin、Ido Yofe和Assaf Weiner,以及研究生David Lara Astiaso,所面临的挑战是,改进CRISPR基因编辑技术,使其可以与单细胞测序相结合使用。该研究小组设想同时靶定多个基因,包括在同一个细胞中的联合靶标,然后识别由此产生的细胞及其功能的变化。另一方面,这项活动需要开发同时识别靶细胞及引入它们的基因组编辑的新分子生物学技术,另一方面,还需要开发新的计算方法,分析具有不同基因型和表型的细胞群体。然后,研究人员会面对一种新的数据——有相当多的缺失值。Weiner说:“通过将具有相似行为的细胞联系在一起,就像Netflix算法将喜欢相似电影的人聚为一类,我们能够识别许多基因以前未分级的功能。”他开发了这些算法来分析数据。这种联合方法可使研究小组能够“探测”特定小鼠在对抗病原体时免疫细胞之间的联系。这种“原则证明”实验确定了对于各种免疫细胞功能非常重要的基因,并以高分辨率阐明了它们如何指导一种复杂和集中的反应对抗入侵的病原体。科学家们说,将这两种方法结合起来,可以提供单独使用其中一种方法都不可能产生的新见解。Yofe说,这些结果,是在这一类型研究从未实现的一个分辨率上获得的,并且这些是更容易获得的,并在很短的时间内。该方法的多功能性,再加上团队通过实验开发的精确度,表明它可以在未来用于探讨许多悬而未决的问题,并产生没有人可以预测的新结果。Ami实验室这项研究的结果刊登在12月15日的《Cell》杂志,连同Broad研究所和加州大学旧金山分校开发的两项类似技术的描述。Amit说:“CRISPR的出现,代表了我们理解并开始编辑免疫回路的能力发生了真正的飞跃。我们希望,我们的方法将是下一个飞跃,从而提供设计免疫细胞用于免疫疗法的能力。”