《Cell》新技术为CRISPR筛选提供了一个空间镜头

时间：2025年3月14日

来源：Broad institute

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最近，科学家们通过抑制特定基因并测量其对其他基因表达的影响，能够在单个细胞中探索基因回路。然而，这些方法未能捕捉到空间信息，例如细胞之间的相互影响，而这些信息对于理解细胞或基因在健康和疾病中的作用至关重要。

如今，由麻省理工学院和哈佛大学的博德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）空间技术平台开发的一项技术，结合了前沿的空间技术进步。这种方法被称为Perturb-FISH，它将基于成像的空间转录组测量与大规模CRISPR引导RNA检测相结合。研究人员展示了Perturb-seq在揭示新的细胞和功能见解方面的潜力，包括自闭症相关基因对细胞活动的影响以及人类肿瘤细胞与免疫细胞在动物模型中的相互作用。对Perturb-FISH的进一步改进可能会使其更广泛地应用于新的生物学研究。该技术及其应用已在《Cell》杂志上发表。

“通过Perturb-FISH，我们开发了一种强大的新方法，用于研究基因和基因回路在组织发育、稳态和功能障碍中的作用。”博德研究所空间技术平台主任、共同通讯作者Sami Farhi表示，“我们的团队致力于为科学界开发空间工具，我们希望这种方法只是我们未来将构建和分享的众多方法中的第一个。”Farhi与共同通讯作者Brian Cleary合作领导了这项工作，后者曾是博德研究所的成员，目前是波士顿大学的助理教授。

此前，研究人员曾将单细胞 RNA 测序与 CRISPR 筛选相结合，利用诸如 Perturb-seq 等工具来研究细胞内的基因网络，但细胞的空间环境并未被捕捉到。另一种被称为光学池筛选的方法可测量基因编辑扰动对细胞适应性或其他表型的影响，但无法捕捉基因转录状态。

空间技术平台的科学家们旨在开发一种全面的方法，能够一次性测量出细胞中哪些基因发生了改变、哪些基因扰动导致了这些变化以及受影响细胞相对于其他细胞的位置。

使 Perturb-FISH 成为可能的关键进展包括Cleary开发的计算方法以及一种新的单分子信号放大方法（无论是 CRISPR 向导 RNA 还是基因转录本），以便能够在背景荧光水平之上检测到它们。传统的放大方法不适用于像向导 RNA 这样小的分子，因此第一作者兼前博士后研究员设计了一种创新策略，在每个向导 RNA 的原始位置生成许多局部副本。通过将其与一种名为 MERFISH 的基于荧光的空间转录组学方法相结合，Perturb-FISH 能够揭示每个扰动的身份以及细胞转录组的空间背景。

研究人员展示了 Perturb-FISH 测量 35 个有助于调节免疫细胞对刺激反应的基因的能力，发现其结果与使用 Perturb-seq 生成的类似数据一致。他们还展示了该技术如何揭示细胞间网络，发现细胞密度可以改变基因扰动的影响，并且未受扰动的细胞可能会受到邻近细胞扰动的影响。

为了说明 Perturb-FISH 在探究哪怕是细微基因调整所产生的功能影响方面的潜力，研究人员利用 CRISPR 抑制技术降低了与自闭症相关的基因在被称为星形胶质细胞的人脑细胞中的表达，并观察到了钙活动和基因表达的变化。

此外，研究团队在一个更复杂的系统中测试了该方法，使用了博德癌症计划开发的异种移植模型。在对人类肿瘤细胞中与 NF-κB 通路相关的基因进行干扰后，他们利用 Perturb-FISH 来测量动物模型中肿瘤细胞与响应的免疫细胞之间的基因相互作用。“我们很高兴地看到，在一个有多种细胞类型相互作用的更复杂系统中，我们仍能观察到有趣的生命现象。”Farhi说道。