Nature发布单细胞基因组学新技术

【资料简介】

胚胎是如何形成我们肺脏、肌肉、神经和其他组织中的细胞的？一种新的方法可以解码使得胚胎细胞能够增殖并转变为机体许多特化细胞类型的遗传指令。

 

一开始是一团相同的细胞，随着增殖不断地改变形状和功能，zui终变为我们肺脏、肌肉、神经和机体所有其他特化组织中的细胞。胚胎拥有这种创造奇迹的能力。

 

现在，在一项逆向组织工程壮举中，斯坦福大学的研究人员开始解开使得胚胎细胞能够增殖及转变为执行不同生物职能的所有特化细胞的复杂遗传密码。

 

这一跨学科研究小组选择在小鼠发育周期的不同时间点，获得了来自小鼠胚胎的肺细胞。利用新型单细胞基因组分析新技术，他们记录了在每一个时间点活化的基因。尽管他们研究的是肺细胞，他们的技术适用于所有的细胞类型。

 

该研究小组的负责人、斯坦福大学工程学院Stephen Quake教授说：“这为如何做好逆向组织工程设计出了一个蓝本。”

 

在发布于《自然》（Nature）杂志上的研究论文中，他与共同作者、斯坦福大学医学院生物化学教授Mark Krasnow、以及肺与危重症医学助理教授Tushar Desai一起详细描述了这些实验。

 

他们利用这种逆向工程方法研究了肺泡细胞。肺泡是血管接收氧气以及带走二氧化碳的一个“转接站”。

 

Quake实验室博士后学者Barbara Treutlein，与Krasnow实验室博士后研究人员Doug Brownfield一起，从三个妊娠阶段：14.5天、16.5天和18.5天（小鼠平均出生于第20天）的小鼠胚胎处取得198个肺细胞。他们也从成年小鼠处取得了一些肺细胞。

利用标准酶技术，他们溶解了让肺细胞结合在一起形成组织的蛋白质，随后分选出了作为他们研究焦点的特异肺泡细胞类型。他们接下来的步骤涉及了作为他们逆向工程过程核心的一些新技术。

 

回想一下点眼药器是如何起作用的。挤压橡胶球排出空气；将它置于溶液中使其装满溶液；再次挤压橡胶球挤出液体。近年来，生物级数学家们利用这些基本原理开发出了微流体装置，它们能够地从溶液中吸取单个细胞，将其分离到腔室中研究它的遗传物质。

Quake实验室曾使用微流体芯片来研究单细胞。在这项研究中，他们利用微流体装置捕获了198个样本肺细胞。随后他们利用单细胞基因组测序检测了每个时间点每个细胞中的活化基因。

 

他们是如何破译单细胞中的基因组活性的呢？每个细胞核中的DNA都包含生物体的整个基因组。这就是为什么单个细胞可能构建出一个生物体的原因。但是在特定的时间点特定的细胞中只有一部分的基因处于活性状态。这也是肺细胞为什么不同于毛发细胞的原因；每个细胞都用一组不同的活化基因来操控它的功能。

 

基因通过生成mRNA来操控细胞活动。每个mRNA向细胞下达指令生成一种特殊蛋白。细胞实质上就是一组相互作用的蛋白质。因此知道活化的mRNAs为了解细胞在微流体设备中被捕获时的功能提供了一个透镜。

 

利用这一过程，斯坦福大学的研究人员地揭示出了这些特殊的肺细胞向着成熟肺泡发育每一阶段的调控基因。

 

研究人员获得了有关肺泡两种重要细胞类型发育的重要研究发现。I型肺泡细胞是人体zui扁平的细胞。位于I型肺泡细胞旁边的血细胞负责传送氧气或获取二氧化碳。这些细胞的厚薄对于推动这种气体交换至关重要。

 

II型肺泡细胞较小，呈立方形。它们分泌一些蛋白质阻止肺泡萎缩，从而维持氧气和二氧化碳通过的内部空间。

 

利用单细胞基因组学，研究人员可以逆向操控发育过程，揭示出了单个的前体细胞类型是如何生成这两种不同的成熟肺泡细胞的。

研究人员还捕获到了从前体细胞向成熟细胞状态过渡的细胞，获得了一些有关肺泡细胞分化机制的重要认识。

尽管该研究将焦点放在肺细胞上，这一在胚胎发育不同阶段捕获单细胞，通过mRNA测序测定基因活性的技术适用于逆向操控其他的组织。

除研究胚胎发育，这一技术还可用于临床环境中。例如，研究人员可以研究肿瘤单个细胞之间的差异，增进我们对于癌症各个阶段的了解，促成更好的、更具靶向性的治疗方法。

 

Desai说：“这一技术是我们认识特定细胞群，包括具有特异功能的少见细胞群中整体细胞类型多样性能力的一个量子飞跃。获得每个细胞类型的全面分子特征，包括它们发送和接受的信号，将能够显现出单个细胞之间的通讯快照，有可能为疾病提供一些有吸引力的治疗靶点。”