Nature發(fā)布單細(xì)胞基因組學(xué)新技術(shù)

【資料簡(jiǎn)介】

胚胎是如何形成我們肺臟、肌肉、神經(jīng)和其他組織中的細(xì)胞的？一種新的方法可以解碼使得胚胎細(xì)胞能夠增殖并轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)體許多特化細(xì)胞類(lèi)型的遺傳指令。

 

一開(kāi)始是一團(tuán)相同的細(xì)胞，隨著增殖不斷地改變形狀和功能，zui終變?yōu)槲覀兎闻K、肌肉、神經(jīng)和機(jī)體所有其他特化組織中的細(xì)胞。胚胎擁有這種創(chuàng)造奇跡的能力。

 

現(xiàn)在，在一項(xiàng)逆向組織工程壯舉中，斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)始解開(kāi)使得胚胎細(xì)胞能夠增殖及轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行不同生物職能的所有特化細(xì)胞的復(fù)雜遺傳密碼。

 

這一跨學(xué)科研究小組選擇在小鼠發(fā)育周期的不同時(shí)間點(diǎn)，獲得了來(lái)自小鼠胚胎的肺細(xì)胞。利用新型單細(xì)胞基因組分析新技術(shù)，他們記錄了在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)活化的基因。盡管他們研究的是肺細(xì)胞，他們的技術(shù)適用于所有的細(xì)胞類(lèi)型。

 

該研究小組的負(fù)責(zé)人、斯坦福大學(xué)工程學(xué)院Stephen Quake教授說(shuō)：“這為如何做好逆向組織工程設(shè)計(jì)出了一個(gè)藍(lán)本。”

 

在發(fā)布于《自然》（Nature）雜志上的研究論文中，他與共同作者、斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教授Mark Krasnow、以及肺與危重癥醫(yī)學(xué)助理教授Tushar Desai一起詳細(xì)描述了這些實(shí)驗(yàn)。

 

他們利用這種逆向工程方法研究了肺泡細(xì)胞。肺泡是血管接收氧氣以及帶走二氧化碳的一個(gè)“轉(zhuǎn)接站”。

 

Quake實(shí)驗(yàn)室博士后學(xué)者Barbara Treutlein，與Krasnow實(shí)驗(yàn)室博士后研究人員Doug Brownfield一起，從三個(gè)妊娠階段：14.5天、16.5天和18.5天（小鼠平均出生于第20天）的小鼠胚胎處取得198個(gè)肺細(xì)胞。他們也從成年小鼠處取得了一些肺細(xì)胞。

利用標(biāo)準(zhǔn)酶技術(shù)，他們?nèi)芙饬俗尫渭?xì)胞結(jié)合在一起形成組織的蛋白質(zhì)，隨后分選出了作為他們研究焦點(diǎn)的特異肺泡細(xì)胞類(lèi)型。他們接下來(lái)的步驟涉及了作為他們逆向工程過(guò)程核心的一些新技術(shù)。

 

回想一下點(diǎn)眼藥器是如何起作用的。擠壓橡膠球排出空氣；將它置于溶液中使其裝滿溶液；再次擠壓橡膠球擠出液體。近年來(lái)，生物級(jí)數(shù)學(xué)家們利用這些基本原理開(kāi)發(fā)出了微流體裝置，它們能夠地從溶液中吸取單個(gè)細(xì)胞，將其分離到腔室中研究它的遺傳物質(zhì)。

Quake實(shí)驗(yàn)室曾使用微流體芯片來(lái)研究單細(xì)胞。在這項(xiàng)研究中，他們利用微流體裝置捕獲了198個(gè)樣本肺細(xì)胞。隨后他們利用單細(xì)胞基因組測(cè)序檢測(cè)了每個(gè)時(shí)間點(diǎn)每個(gè)細(xì)胞中的活化基因。

 

他們是如何破譯單細(xì)胞中的基因組活性的呢？每個(gè)細(xì)胞核中的DNA都包含生物體的整個(gè)基因組。這就是為什么單個(gè)細(xì)胞可能構(gòu)建出一個(gè)生物體的原因。但是在特定的時(shí)間點(diǎn)特定的細(xì)胞中只有一部分的基因處于活性狀態(tài)。這也是肺細(xì)胞為什么不同于毛發(fā)細(xì)胞的原因；每個(gè)細(xì)胞都用一組不同的活化基因來(lái)操控它的功能。

 

基因通過(guò)生成mRNA來(lái)操控細(xì)胞活動(dòng)。每個(gè)mRNA向細(xì)胞下達(dá)指令生成一種特殊蛋白。細(xì)胞實(shí)質(zhì)上就是一組相互作用的蛋白質(zhì)。因此知道活化的mRNAs為了解細(xì)胞在微流體設(shè)備中被捕獲時(shí)的功能提供了一個(gè)透鏡。

 

利用這一過(guò)程，斯坦福大學(xué)的研究人員地揭示出了這些特殊的肺細(xì)胞向著成熟肺泡發(fā)育每一階段的調(diào)控基因。

 

研究人員獲得了有關(guān)肺泡兩種重要細(xì)胞類(lèi)型發(fā)育的重要研究發(fā)現(xiàn)。I型肺泡細(xì)胞是人體zui扁平的細(xì)胞。位于I型肺泡細(xì)胞旁邊的血細(xì)胞負(fù)責(zé)傳送氧氣或獲取二氧化碳。這些細(xì)胞的厚薄對(duì)于推動(dòng)這種氣體交換至關(guān)重要。

 

II型肺泡細(xì)胞較小，呈立方形。它們分泌一些蛋白質(zhì)阻止肺泡萎縮，從而維持氧氣和二氧化碳通過(guò)的內(nèi)部空間。

 

利用單細(xì)胞基因組學(xué)，研究人員可以逆向操控發(fā)育過(guò)程，揭示出了單個(gè)的前體細(xì)胞類(lèi)型是如何生成這兩種不同的成熟肺泡細(xì)胞的。

研究人員還捕獲到了從前體細(xì)胞向成熟細(xì)胞狀態(tài)過(guò)渡的細(xì)胞，獲得了一些有關(guān)肺泡細(xì)胞分化機(jī)制的重要認(rèn)識(shí)。

盡管該研究將焦點(diǎn)放在肺細(xì)胞上，這一在胚胎發(fā)育不同階段捕獲單細(xì)胞，通過(guò)mRNA測(cè)序測(cè)定基因活性的技術(shù)適用于逆向操控其他的組織。

除研究胚胎發(fā)育，這一技術(shù)還可用于臨床環(huán)境中。例如，研究人員可以研究腫瘤單個(gè)細(xì)胞之間的差異，增進(jìn)我們對(duì)于癌癥各個(gè)階段的了解，促成更好的、更具靶向性的治療方法。

 

Desai說(shuō)：“這一技術(shù)是我們認(rèn)識(shí)特定細(xì)胞群，包括具有特異功能的少見(jiàn)細(xì)胞群中整體細(xì)胞類(lèi)型多樣性能力的一個(gè)量子飛躍。獲得每個(gè)細(xì)胞類(lèi)型的全面分子特征，包括它們發(fā)送和接受的信號(hào)，將能夠顯現(xiàn)出單個(gè)細(xì)胞之間的通訊快照，有可能為疾病提供一些有吸引力的治療靶點(diǎn)。”