Nature Genetics | 開發(fā)劑量敏感的基因擾動組學技術(shù)
基因劑量的變化在胚胎發(fā)育、疾病發(fā)生以及細胞命運決定過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,其系統(tǒng)化解析對于精準理解生命過程至關(guān)重要。作為研究基因功能的核心策略,基因擾動近年來與單細胞組學的結(jié)合,使研究者能夠在全基因組尺度上系統(tǒng)解析基因的功能,并為虛擬細胞等人工智能模型的構(gòu)建提供了寶貴的數(shù)據(jù)支撐。然而,現(xiàn)有的大規(guī)模基因擾動技術(shù)大多將基因功能簡化為“開/關(guān)”的二元模式,難以捕捉劑量依賴的連續(xù)效應(yīng)。這種局限不僅削弱了對基因功能的全面理解,也可能在復雜生物學問題中引入不全面甚至錯誤的結(jié)論。
2025年10月3日,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所陳萬澤課題組與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)Bart Deplancke課題組合作,在Nature Genetics發(fā)表了題為"Dissecting the impact of transcription factor dose on cell reprogramming heterogeneity using scTF-seq"的研究成果。團隊開發(fā)了scTF-seq技術(shù),實現(xiàn)了劑量敏感的大規(guī)?;驍_動單細胞組學,并以轉(zhuǎn)錄因子介導的細胞重編程為模型,系統(tǒng)揭示了基因劑量在細胞命運調(diào)控中未被充分認識的多層次、非線性復雜效應(yīng)。
為什么scTF-seq可以實現(xiàn)大劑量范圍的基因擾動并定量?
巧妙利用Tet-on啟動子內(nèi)在噪音和逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組不同整合位置表達活性差異,進一步結(jié)合高滴度病毒轉(zhuǎn)導的拷貝數(shù)差異(有別于傳統(tǒng)大規(guī)模擾動中常用的低滴度方式)。這種設(shè)計使得即使單一Doxycycline濃度下,轉(zhuǎn)基因的劑量也可以達到平均60倍,最高1000倍的極寬劑量分布。并結(jié)合3’scRNA-seq兼容的條形碼,定量解析轉(zhuǎn)錄因子劑量與轉(zhuǎn)錄組變化之間的對應(yīng)關(guān)系,從而首次在大規(guī)?;驍_動背景下實現(xiàn)了“劑量敏感”的功能解析。
單基因的復雜非線性效應(yīng)
scTF-seq揭示了轉(zhuǎn)錄因子劑量并非簡單線性地影響細胞命運。例如,KLF4在不同劑量下分別驅(qū)動與骨骼形成、細胞結(jié)構(gòu)組裝或上皮發(fā)育相關(guān)的不同基因表達模式,表現(xiàn)出高度非線性的調(diào)控特征。這些復雜劑量效應(yīng)為解釋細胞重編程的異質(zhì)性提供了重要線索。
基因與其他細胞過程的互作
研究還發(fā)現(xiàn),基因劑量效應(yīng)與細胞周期等其他細胞過程密切相關(guān)。CEBPA和PPARG在高劑量下促進細胞周期退出并推動脂肪分化,而MYCN則突破常規(guī),在細胞持續(xù)增殖的同時驅(qū)動分化,但最終伴隨細胞死亡。這揭示了基因劑量、細胞周期與分化過程之間的精細耦合關(guān)系。
多基因互作的劑量敏感性
在組合擾動實驗中,研究者發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)錄因子的相互作用不僅取決于基因組合本身,還強烈依賴于基因劑量。同一對轉(zhuǎn)錄因子組合在不同劑量下可表現(xiàn)為可逆轉(zhuǎn)的協(xié)同或拮抗作用,且這種效應(yīng)具有基因特異性,進一步凸顯了基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的復雜性。
綜上,該研究表明,基因劑量不僅決定單個基因的功能,還塑造了基因與細胞過程的互作格局,以及多基因間的協(xié)同與競爭關(guān)系。scTF-seq為系統(tǒng)性地解析這些劑量依賴效應(yīng)提供了新方法,產(chǎn)生的基因定量擾動數(shù)據(jù)也為精準細胞工程和虛擬細胞模型構(gòu)建提供了關(guān)鍵支撐。
該工作由中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)合作完成,陳萬澤研究員和Bart Deplancke教授為共同通訊作者,劉王杰(博士生)、Wouter Saelens(博士后)和Pernille Rainer(博士生)為共同第一作者。該工作獲得了重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、深圳市醫(yī)學研究專項和深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等項目的支持。
陳萬澤博士現(xiàn)為中國科學院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學研究所研究員,博士生導師,主要研究方向是通過新技術(shù)的開發(fā),理解細胞命運決定機制并進行改造和干預(yù),得到國家自然科學基金優(yōu)秀青年項目,國家重點研發(fā)計劃課題等重要項目的支持,相關(guān)成果以通訊和第一作者身份在Nature, Nature Genetics, Nature Cell Biology等期刊發(fā)表,被Nature Biotechnology, Nature Methods,Nature Immunology等多個雜志專文評述和高亮報道。歡迎感興趣的博士后、博士生和研究助理加入!

文章上線截圖,原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41588-025-02343-7

圖1:scTF-seq的原理圖示

圖2:?兩個轉(zhuǎn)錄因子之間協(xié)同-拮抗效應(yīng)的劑量可逆性
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