点击蓝字
关注我们
基因调控网络如何在复杂的组织环境中精确运作?细胞之间的相互作用如何影响基因表达?这些生命科学的核心问题长期以来困扰着研究者。近日,Cell杂志发表了一项突破性研究Simultaneous CRISPR screening and spatial transcriptomics reveal intracellular, intercellular, and functional transcriptional circuits,来自麻省理工学院和哈佛大学博德研究所(Broad Institute)的科学家开发了Perturb-FISH技术——一种将CRISPR筛选与空间转录组学完美结合的创新方法,为我们理解基因在空间环境中的功能开启了全新视角。
传统的CRISPR筛选技术虽然强大,但存在明显的局限性:基于测序的方法(如Perturb-seq)需要将组织分散成单细胞悬液,导致细胞的空间位置信息完全丢失;而光学池筛选(Optical Pooled Screening)虽能保留空间信息,但无法全面捕获转录组数据。Perturb-FISH的出现彻底改变了这一困境,实现了在保留完整空间环境的同时,高通量解析基因扰动对转录组的影响。
图1:Perturb-FISH技术工作流程示意图
part 1
技术创新:突破传统筛选的空间瓶颈
创新的gRNA原位扩增策略
Perturb-FISH的核心创新在于解决了一个关键技术难题:如何在固定的组织切片中检测长度仅20bp的gRNA分子?传统的FISH方法需要在目标RNA上铺设数十个探针才能产生足够的信号,这对于短小的gRNA来说几乎不可能实现。
研究团队设计了一种巧妙的解决方案:在慢病毒载体的U6启动子末端和gRNA序列起始之间插入T7启动子。当细胞被固定后,研究人员利用T7 RNA聚合酶在原位生成大量gRNA拷贝,每个gRNA位点可产生数百个局部扩增的RNA分子。这种扩增策略使得gRNA信号在荧光显微镜下形成明亮的核内光点,其信号强度远超常规mRNA的检测信号。
为了确保gRNA编码探针与MERFISH化学体系的兼容性,研究团队将靶向区域延伸至gRNA支架序列的前10个碱基,使得20bp的编码探针达到合适的熔解温度,能够承受MERFISH流程中的甲酰胺洗涤步骤。
多模态数据整合与空间解析
Perturb-FISH将MERFISH空间转录组学技术与gRNA检测无缝整合。在成像过程中,系统首先对gRNA进行多轮杂交-成像-切割循环,解码每个细胞中的基因扰动类型;随后继续进行转录组检测,在同一细胞中读取数百个目标基因的表达水平。
整个流程实现了三维信息的同步获取:基因扰动身份(哪个基因被敲除)、转录组状态(基因表达谱如何变化)以及空间位置(细胞在组织中的确切位置和邻近关系)。这种多模态整合能力是Perturb-FISH相较于传统方法的核心优势。
part 2
核心实验结果:从单细胞到组织的全景解析
免疫应答筛选:验证技术可靠性与发现密度依赖效应
研究团队首先在THP1来源的巨噬细胞中测试了Perturb-FISH的性能。他们针对35个调控脂多糖(LPS)应答的基因构建了gRNA文库,并与之前获得的Perturb-seq数据进行了系统比对。结果显示,Perturb-FISH检测到的基因扰动效应与Perturb-seq高度一致,关键基因(如MAP3K7、IRAK1、TRAF6、RELA)的扰动效应相关性达到75-93%。更重要的是,两次Perturb-FISH重复实验之间的相关性高达85-93%,证明了技术的高重现性。
然而,Perturb-FISH展现出独特优势:研究人员发现细胞密度显著影响基因表达模式。TNF的表达随邻近细胞数量增加而上调1.34倍,而IL1A则下降2.6倍。这种密度依赖性调控在传统的单细胞测序方法中完全无法检测。
更令人惊讶的是,研究团队还发现了细胞间的"旁观者效应":未受扰动的细胞会受到邻近扰动细胞的影响。例如,邻近有IRAK1敲除细胞的野生型细胞,其基因表达谱也会发生显著变化,揭示了细胞间通讯在基因调控网络中的重要作用。
图2:密度依赖效应和细胞间相互作用分析结果
自闭症风险基因筛选:连接基因型-表型-功能的完整链条
为了展示Perturb-FISH在功能表型研究中的潜力,研究团队对127个自闭症谱系障碍(ASD)高风险基因进行了CRISPRi筛选,在人诱导多能干细胞(iPSC)来源的星形胶质细胞中研究这些基因对钙信号的影响。
实验设计极为精巧:研究人员首先用活细胞成像记录ATP刺激后的钙瞬变活动,随后在同一批细胞中进行Perturb-FISH,检测基因扰动和转录组变化。这样就在单细胞水平上建立了"基因扰动-功能表型-分子机制"的完整关联。
通过分析76,400个细胞的数据,研究团队鉴定出6个钙活性表型簇。其中,ITPR3敲低作为阳性对照显著破坏了钙信号,验证了实验体系的有效性。更重要的是,多个ASD风险基因的敲低导致了特定的钙活性异常模式,这些模式与特定的转录组改变和基因调控网络相关联。
图3:自闭症风险基因筛选结果
肿瘤异种移植模型:解析三维组织中的肿瘤-免疫互作
Perturb-FISH的终极挑战来自于复杂的三维组织环境。研究团队在人肿瘤细胞异种移植小鼠模型中,对NF-κB信号通路相关基因进行了扰动,并分析了肿瘤细胞与浸润性T细胞之间的相互作用。
空间转录组学数据清晰地展示了肿瘤组织的异质性:研究人员识别出三个不同的肿瘤细胞亚群和浸润的T细胞,这些细胞类型在空间上呈现明显的区域化分布。某些区域T细胞浸润密度高,而另一些区域几乎没有免疫细胞。
关键发现在于肿瘤细胞的基因扰动如何影响邻近的免疫细胞。例如,某些NF-κB通路基因的敲除不仅改变了肿瘤细胞自身的转录组,还显著影响了邻近T细胞的基因表达谱。这种跨细胞类型的调控效应揭示了肿瘤-免疫互作的分子基础。
通过分析肿瘤细胞扰动对T细胞的影响,研究团队构建了一个详细的肿瘤-免疫通讯网络图谱,识别出多个潜在的免疫逃逸机制和治疗靶点。这些发现在传统的体外培养或单细胞测序实验中根本无法获得。
图4:肿瘤异种移植模型分析结果
part 3
技术意义与未来展望
核心优势总结
Perturb-FISH技术的开发代表了基因功能研究方法学的重大进步,其核心优势体现在:
空间分辨率突破:首次实现了在保留完整组织结构的前提下,同时检测基因扰动和转录组变化,将CRISPR筛选从"单细胞悬液"带入"组织原位"时代。
多尺度信息整合:在单细胞分辨率下同步获取基因型(扰动身份)、表型(转录组/功能)和空间位置三维信息,建立了完整的"结构-功能"关联。
细胞互作解析:能够系统研究细胞密度效应和细胞间通讯对基因调控网络的影响,揭示了传统方法无法触及的生物学层面。
功能表型连接:可与活细胞成像等功能读出相结合,直接建立基因扰动、分子机制与生理功能之间的因果关系。
适用场景广泛:从培养细胞到三维类器官,再到动物组织,Perturb-FISH展现出优异的适应性和可扩展性。
应用前景与发展方向
Perturb-FISH技术为多个前沿研究领域开辟了新的可能性:在发育生物学领域,该技术可用于研究器官发育过程中基因调控网络的时空动态,揭示不同细胞谱系如何通过空间信号相互协调。在肿瘤免疫学领域,Perturb-FISH能够系统解析肿瘤微环境中的基因调控网络,识别影响免疫浸润和免疫逃逸的关键基因,为免疫治疗靶点发现提供强有力的工具。在神经科学领域,该技术可应用于研究神经回路中的基因功能,特别是在研究神经发育障碍(如自闭症)的分子机制方面具有巨大潜力。在药物研发领域,Perturb-FISH可用于高通量筛选药物靶点,并在组织水平评估候选药物的空间特异性效应,加速精准医学的发展。
研究团队指出,未来的技术改进方向包括:整合全转录组覆盖能力(如结合CosMx、STARmap等技术),开发碱基编辑、激活筛选等多样化扰动模式,以及优化实验流程以提高通量和降低成本。此外,将Perturb-FISH与单细胞多组学技术(如蛋白质组、表观组)结合,有望构建更加全面的基因调控网络图谱。
参考文献
Binan, L., Jiang, A., Danquah, S.A., Valakh, V., Simonton, B., Bezney, J., Manguso, R.T., Yates, K.B., Nehme, R., Cleary, B., and Farhi, S.L. (2025). Simultaneous CRISPR screening and spatial transcriptomics reveal intracellular, intercellular, and functional transcriptional circuits. Cell 188, 2141-2158.e18.
舒桐科技:CRISPR筛选服务专家
珠海舒桐医疗科技有限公司是一家以基因编辑为核心技术的生物医药企业,总部位于粤澳深度合作区——横琴新区,下设鼓润(武汉)医疗科技有限公司、广州舒桐医疗科技有限公司和杭州舒桐生物科技有限公司等全资子公司。公司为国家高新技术企业,拥有博士后工作站和多个博士后团队,已申请专利40余项,承担多项国家科技重大专项。
【舒桐科技CRISPR筛选服务】
我们提供全方位的CRISPR筛选服务,涵盖从文库设计、病毒包装、细胞筛选到高通量测序分析的完整流程:
CRISPR文库构建:提供全基因组、聚焦型、定制化sgRNA文库设计与构建服务,支持敲除(KO)、激活(CRISPRa)、抑制(CRISPRi)等多种筛选模式。
慢病毒/腺病毒包装:高滴度病毒包装服务,确保文库导入效率,支持多种细胞类型和复杂模型(类器官、动物模型)。
表型筛选:提供细胞增殖、药物抗性、免疫应答等多种表型筛选方案,可结合流式分选、显微成像等技术。
高通量测序与分析:采用先进的NGS平台进行sgRNA丰度检测,提供专业的生物信息学分析,识别关键基因和信号通路。
候选基因验证:提供单基因敲除/敲入细胞系构建、功能验证实验等延续服务,形成从筛选到验证的闭环。
上周精选
GeneRulor
推文题目:Nature Communications | 病毒样颗粒(VLP)"变形记":从7个蛋白到2个蛋白,如何打开脑递送的大门?
👉点击查看原推文Nature Communications | 病毒样颗粒(VLP)"变形记":从7个蛋白到2个蛋白,如何打开脑递送的大门?
关于舒桐
珠海舒桐医疗科技有限公司是一家以基因编辑为核心技术的生物医药企业,总部位于粤澳深度合作区——横琴新区,下设鼓润(武汉)医疗科技有限公司、广州舒桐医疗科技有限公司和杭州舒桐生物科技有限公司等全资子公司。公司为国家高新技术企业,拥有博士后工作站和多个博士后团队,已申请专利40余项,承担多项国家科技重大专项。公司致力于通过创新技术为多种疾病尤其肿瘤开展新药研发,提供基因靶向治疗方案。同时公司搭建了一站式基因编辑平台、分子诊断平台和科技服务平台,可提供从靶点筛选、基因编辑有效性检测到安全性评估的全流程解决方案;具备先进的CGT原料规模化生产能力,可为科研机构及生物医药企业提供安全高效的一站式服务和原料供应。舒桐医疗坚持以“创新、敬业、融合、开放”为核心价值观,致力于利用基因治疗技术造福人类健康,让生命更美好。
如需获得更多信息,请咨询我们:
电话:
400-6309596
18437963580(同微信)
企业官网:
http://www.generulor.com.cn
产品订购/技术支持:
service@generulor.com