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)??？免疫細(xì)胞如何進(jìn)行錯(cuò)綜復(fù)雜的決策過(guò)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(qiáng)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(wèn)題，及其他懸而未決的問(wèn)題。

這項(xiàng)新技術(shù)使得研究人員能夠在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)操縱基因功能，并能以極高的分辨率了解每個(gè)變化的結(jié)果。科學(xué)家說(shuō)，用這種方法進(jìn)行的一次單一實(shí)驗(yàn)，就可能與使用以前方法進(jìn)行的數(shù)千次實(shí)驗(yàn)相當(dāng)，這可能推動(dòng)基因工程應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)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(lèi)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(lái)對(duì)抗病毒。近年來(lái)，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(xiàng)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(shuō)：“但就CRISPR本身而言，它是一種生硬的研究工具，因?yàn)槲覀兺y以觀(guān)察或理解這一基因組編輯的結(jié)果。”Amit實(shí)驗(yàn)室的Diego Jaitin博士補(bǔ)充說(shuō)：“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(guò)程是復(fù)雜的，甚至是混亂的。”

Amit和他的研究團(tuán)隊(duì)一直都在開(kāi)發(fā)這種新方法的其他方面——單細(xì)胞RNA測(cè)序，一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，對(duì)生物技術(shù)的許多研究領(lǐng)域都產(chǎn)生了影響。通過(guò)測(cè)定每個(gè)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(gè)細(xì)胞的分子組成，并在特定的細(xì)胞群中識(shí)別微妙范圍的細(xì)胞身份和功能。Amit說(shuō)：“這是一個(gè)新的分子顯微鏡。”在他的實(shí)驗(yàn)室中，可以對(duì)體內(nèi)一個(gè)特定組織中的數(shù)千個(gè)細(xì)胞，同時(shí)進(jìn)行測(cè)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(jiàn)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(cè)序一直都是一種觀(guān)測(cè)工具，從而提供了一個(gè)給定組織樣本的快照。”

將CRISPR與單細(xì)胞RNA測(cè)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(bǔ)細(xì)胞中的基因，然后理解各種情況下它們?cè)诙喾N類(lèi)型細(xì)胞內(nèi)的功能。Amit和他的團(tuán)隊(duì)，包括第一作者Drs. Jaitin、Ido Yofe和Assaf Weiner，以及研究生David Lara Astiaso，所面臨的挑戰(zhàn)是，改進(jìn)CRISPR基因編輯技術(shù)，使其可以與單細(xì)胞測(cè)序相結(jié)合使用。該研究小組設(shè)想同時(shí)靶定多個(gè)基因，包括在同一個(gè)細(xì)胞中的聯(lián)合靶標(biāo)，然后識(shí)別由此產(chǎn)生的細(xì)胞及其功能的變化。另一方面，這項(xiàng)活動(dòng)需要開(kāi)發(fā)同時(shí)識(shí)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(kāi)發(fā)新的計(jì)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(huì)面對(duì)一種新的數(shù)據(jù)——有相當(dāng)多的缺失值。Weiner說(shuō)：“通過(guò)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(lèi)，我們能夠識(shí)別許多基因以前未分級(jí)的功能。”他開(kāi)發(fā)了這些算法來(lái)分析數(shù)據(jù)。

這種聯(lián)合方法可使研究小組能夠“探測(cè)”特定小鼠在對(duì)抗病原體時(shí)免疫細(xì)胞之間的聯(lián)系。這種“原則證明”實(shí)驗(yàn)確定了對(duì)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(duì)抗入侵的病原體。

科學(xué)家們說(shuō)，將這兩種方法結(jié)合起來(lái)，可以提供單獨(dú)使用其中一種方法都不可能產(chǎn)生的新見(jiàn)解。Yofe說(shuō)，這些結(jié)果，是在這一類(lèi)型研究從未實(shí)現(xiàn)的一個(gè)分辨率上獲得的，并且這些是更容易獲得的，并在很短的時(shí)間內(nèi)。該方法的多功能性，再加上團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的精確度，表明它可以在未來(lái)用于探討許多懸而未決的問(wèn)題，并產(chǎn)生沒(méi)有人可以預(yù)測(cè)的新結(jié)果。

Ami實(shí)驗(yàn)室這項(xiàng)研究的結(jié)果刊登在12月15日的《Cell》雜志，連同Broad研究所和加州大學(xué)舊金山分校開(kāi)發(fā)的兩項(xiàng)類(lèi)似技術(shù)的描述。Amit說(shuō)：“CRISPR的出現(xiàn)，代表了我們理解并開(kāi)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(gè)飛躍，從而提供設(shè)計(jì)免疫細(xì)胞用于免疫療法的能力。”