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細(xì)胞形態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，受遺傳、環(huán)境等多重因素影響，特別是在疾病研究中，形態(tài)是一種重要且信息豐富的細(xì)胞特征。與基因表達(dá)等其他特征一樣，細(xì)胞形態(tài)是由遺傳變異介導(dǎo)的，然而人們對(duì)人類(lèi)遺傳多樣性如何塑造細(xì)胞形態(tài)的理解仍然有限。分析不同細(xì)胞類(lèi)型和遺傳多樣人群中的細(xì)胞形態(tài)可以促進(jìn)形態(tài)相關(guān)遺傳變異的鑒定。
iPSC是一種類(lèi)似胚胎干細(xì)胞的多能干細(xì)胞，可以通過(guò)重新編程正常細(xì)胞而得到，具有分化能力，可用于治療多種疾病。細(xì)胞全景繪制（Cell Painting）是結(jié)合了細(xì)胞和計(jì)算生物學(xué)，用來(lái)描述藥物處理或遺傳干擾后的復(fù)雜細(xì)胞表型的方法，已被用于表型藥物的發(fā)現(xiàn)和基礎(chǔ)研究。Cell Painting可以通過(guò)將表達(dá)與細(xì)胞特征聯(lián)系起來(lái)來(lái)確定基因功能，并已被用于預(yù)測(cè)癌癥變異對(duì)功能的影響。與基因表達(dá)等方法相比，細(xì)胞形態(tài)分析為功能基因組學(xué)研究提供了巨大的資產(chǎn)，在批量和單細(xì)胞水平上更經(jīng)濟(jì)、更容易推廣。在本文介紹的研究中將Cell Painting與iPSC技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，從更廣泛的角度試圖闡明細(xì)胞形態(tài)和遺傳變異之間的關(guān)系。
研究中對(duì)來(lái)自297名捐贈(zèng)者的iPSC系進(jìn)行了擴(kuò)增、質(zhì)控分析，然后對(duì)其進(jìn)行了Cell Painting高通量成像和30X全基因組測(cè)序 (WGS)。對(duì)所有捐贈(zèng)者的5.1×106個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了不同細(xì)胞器的熒光多色顯微成像（DNA、高爾基體和質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、核仁和細(xì)胞質(zhì)RNA和肌動(dòng)蛋白），量化了每個(gè)細(xì)胞的3418個(gè)形態(tài)特征（例如形狀、強(qiáng)度和紋理等），從WGS數(shù)據(jù)中推斷出遺傳變異，并研究了個(gè)體形態(tài)特征是否與罕見(jiàn)和常見(jiàn)變異相關(guān)。
圖1：研究工作流程概覽
將全基因組序列分析與Cell Painting相結(jié)合，以確定從>5M iPSC中提取的遺傳變異和形態(tài)特征之間的關(guān)系，確定了WASF2、PRLR、TSPAN15與細(xì)胞質(zhì)面積和形狀、核粒度以及細(xì)胞核周?chē)€粒體的分布相關(guān)的形態(tài)表型之間的新關(guān)聯(lián)，并且這些關(guān)聯(lián)也通過(guò)CRISPR介導(dǎo)的敲低得到驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明細(xì)胞形態(tài)特征與罕見(jiàn)蛋白質(zhì)編碼變異之間的關(guān)聯(lián)能被可靠識(shí)別。
圖2：罕見(jiàn)變異負(fù)擔(dān)關(guān)聯(lián)的功能驗(yàn)證
當(dāng)然研究中還有幾個(gè)局限性。文章重點(diǎn)研究了生殖系遺傳變異如何影響干細(xì)胞形態(tài)。雖然采用了嚴(yán)格的質(zhì)控手段來(lái)識(shí)別和去除具有異常核型或大型基因組重排的細(xì)胞，但隨著時(shí)間的推移，培養(yǎng)中可能會(huì)出現(xiàn)新的體細(xì)胞突變。此外，本研究中使用的細(xì)胞類(lèi)型處于基礎(chǔ)的未分化狀態(tài)，在更具生理相關(guān)的微環(huán)境中探索這些關(guān)聯(lián)對(duì)于未來(lái)的研究將很有價(jià)值。將目前的研究擴(kuò)展到不同的細(xì)胞類(lèi)型并增加臨床疾病類(lèi)別的樣本數(shù)量將是將細(xì)胞形態(tài)與人類(lèi)疾病聯(lián)系起來(lái)的關(guān)鍵步驟。
此外本文工作中的重大發(fā)現(xiàn)數(shù)量很少，這突顯出體外遺傳學(xué)研究仍然需要大幅增加樣本量才能充分發(fā)揮發(fā)現(xiàn)潛力。數(shù)量性狀的發(fā)現(xiàn)潛力通常與研究中包括的樣本數(shù)量成線性關(guān)系，數(shù)據(jù)表明即使有3000個(gè)遺傳上細(xì)胞系，可能仍然只能產(chǎn)生10個(gè)基因組范圍內(nèi)顯著的常見(jiàn)變異，這一現(xiàn)象表明需要數(shù)萬(wàn)個(gè)細(xì)胞系才能開(kāi)始繪制細(xì)胞形態(tài)的SNP性狀關(guān)聯(lián)。相比之下，對(duì)罕見(jiàn)變異效應(yīng)大小的分析表明，隨著樣本量適度增加，有能力檢測(cè)許多罕見(jiàn)變異 。因此使用高通量細(xì)胞成像來(lái)捕捉表型變化特征將是十分重要的實(shí)驗(yàn)需求。這種方法對(duì)未來(lái)利用人類(lèi)衍生的、與疾病相關(guān)的細(xì)胞類(lèi)型來(lái)模擬遺傳變異對(duì)細(xì)胞功能的影響的研究具有重要前景。
瑞孚迪（Revvity）為細(xì)胞表型分析應(yīng)用提供了從試劑到數(shù)據(jù)分析的完整解決方案。Opera Phenix Plus或Operetta CLS高內(nèi)涵篩選系統(tǒng)的成像功能可以生成所需的高質(zhì)量圖像，結(jié)合高內(nèi)涵分析軟件Harmony進(jìn)行準(zhǔn)確的圖像分割和先進(jìn)的形態(tài)學(xué)、紋理量化方法從而實(shí)現(xiàn)初級(jí)圖像分析，TIBCO Spotfire®則提供了更多用于數(shù)據(jù)探索和分析的輔助分析工具。
