什么樣的突變組合能幫助癌細胞存活？大腦中哪些細胞參與了阿爾茨海默氏癥的發(fā)??？免疫細胞如何進行錯綜復雜的決策過程？現(xiàn)在，以色列魏茨曼科學研究所的研究人員在一種方法中結合了兩種強大的研究工具——CRISPR基因編輯和單細胞基因組分析，最終可幫助我們解答這些問題，及其他懸而未決的問題。

這項新技術使得研究人員能夠在單個細胞內操縱基因功能，并能以極高的分辨率了解每個變化的結果?？茖W家說，用這種方法進行的一次單一實驗，就可能與使用以前方法進行的數(shù)千次實驗相當，這可能推動基因工程應用于醫(yī)學領域的進展。

CRISPR基因編輯技術已經改變了全世界的生物學研究，其在人類的臨床應用指日可待。CRISPR首次是在細菌中發(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對抗病毒。近年來，研究人員已經利用該細菌系統(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胞中。這項研究的通訊作者、魏茨曼科學學院免疫學系的Ido Amit教授說：“但就CRISPR本身而言，它是一種生硬的研究工具，因為我們往往難以觀察或理解這一基因組編輯的結果。”Amit實驗室的Diego Jaitin博士補充說：“到目前為止，大多數(shù)的研究一直都在找非黑即白的效果，但是身體內大部分的過程是復雜的，甚至是混亂的。”

Amit和他的研究團隊一直都在開發(fā)這種新方法的其他方面——單細胞RNA測序，一個快速發(fā)展的領域，對生物技術的許多研究領域都產生了影響。通過測定每個細胞的信使RNA分子——指示細胞活性的信息，研究人員能夠發(fā)現(xiàn)每個細胞的分子組成，并在特定的細胞群中識別微妙范圍的細胞身份和功能。Amit說：“這是一個新的分子顯微鏡。”在他的實驗室中，可以對體內一個特定組織中的數(shù)千個細胞，同時進行測序，從而揭示細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‘常見免疫細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退行性疾病’的一切信息。但是單細胞測序一直都是一種觀測工具，從而提供了一個給定組織樣本的快照。”

將CRISPR與單細胞RNA測序的精細分辨率相結合，可以使研究人員能夠積極修補細胞中的基因，然后理解各種情況下它們在多種類型細胞內的功能。Amit和他的團隊，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CRISPR基因編輯技術，使其可以與單細胞測序相結合使用。該研究小組設想同時靶定多個基因，包括在同一個細胞中的聯(lián)合靶標，然后識別由此產生的細胞及其功能的變化。另一方面，這項活動需要開發(fā)同時識別靶細胞及引入它們的基因組編輯的新分子生物學技術，另一方面，還需要開發(fā)新的計算方法，分析具有不同基因型和表型的細胞群體。

然后，研究人員會面對一種新的數(shù)據——有相當多的缺失值。Weiner說：“通過將具有相似行為的細胞聯(lián)系在一起，就像Netflix算法將喜歡相似電影的人聚為一類，我們能夠識別許多基因以前未分級的功能。”他開發(fā)了這些算法來分析數(shù)據。

這種聯(lián)合方法可使研究小組能夠“探測”特定小鼠在對抗病原體時免疫細胞之間的聯(lián)系。這種“原則證明”實驗確定了對于各種免疫細胞功能非常重要的基因，并以高分辨率闡明了它們如何指導一種復雜和集中的反應對抗入侵的病原體。

科學家們說，將這兩種方法結合起來，可以提供單獨使用其中一種方法都不可能產生的新見解。Yofe說，這些結果，是在這一類型研究從未實現(xiàn)的一個分辨率上獲得的，并且這些是更容易獲得的，并在很短的時間內。該方法的多功能性，再加上團隊通過實驗開發(fā)的精確度，表明它可以在未來用于探討許多懸而未決的問題，并產生沒有人可以預測的新結果。

Ami實驗室這項研究的結果刊登在12月15日的《Cell》雜志，連同Broad研究所和加州大學舊金山分校開發(fā)的兩項類似技術的描述。Amit說：“CRISPR的出現(xiàn)，代表了我們理解并開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飛躍，從而提供設計免疫細胞用于免疫療法的能力。”