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技術(shù)中心

Nature發(fā)布單細(xì)胞基因組學(xué)新技術(shù)

2014年04月20日 22:31:32人氣:238來源:上海誠凜生物科技有限公司

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關(guān) 鍵 詞單細(xì)胞基因組學(xué)新技術(shù),胚胎細(xì)胞,逆向組織工程,調(diào)控基因
【資料簡介】

胚胎是如何形成我們肺臟、肌肉、神經(jīng)和其他組織中的細(xì)胞的?一種新的方法可以解碼使得胚胎細(xì)胞能夠增殖并轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)體許多特化細(xì)胞類型的遺傳指令。

 

一開始是一團(tuán)相同的細(xì)胞,隨著增殖不斷地改變形狀和功能,zui終變?yōu)槲覀兎闻K、肌肉、神經(jīng)和機(jī)體所有其他特化組織中的細(xì)胞。胚胎擁有這種創(chuàng)造奇跡的能力。

 

現(xiàn)在,在一項逆向組織工程壯舉中,斯坦福大學(xué)的研究人員開始解開使得胚胎細(xì)胞能夠增殖及轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行不同生物職能的所有特化細(xì)胞的復(fù)雜遺傳密碼。

 

這一跨學(xué)科研究小組選擇在小鼠發(fā)育周期的不同時間點(diǎn),獲得了來自小鼠胚胎的肺細(xì)胞。利用新型單細(xì)胞基因組分析新技術(shù),他們記錄了在每一個時間點(diǎn)活化的基因。盡管他們研究的是肺細(xì)胞,他們的技術(shù)適用于所有的細(xì)胞類型。

 

該研究小組的負(fù)責(zé)人、斯坦福大學(xué)工程學(xué)院Stephen Quake教授說:“這為如何做好逆向組織工程設(shè)計出了一個藍(lán)本。”

 

在發(fā)布于《自然》(Nature)雜志上的研究論文中,他與共同作者、斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教授Mark Krasnow、以及肺與危重癥醫(yī)學(xué)助理教授Tushar Desai一起詳細(xì)描述了這些實驗。

 

他們利用這種逆向工程方法研究了肺泡細(xì)胞。肺泡是血管接收氧氣以及帶走二氧化碳的一個“轉(zhuǎn)接站”。

 

Quake實驗室博士后學(xué)者Barbara Treutlein,與Krasnow實驗室博士后研究人員Doug Brownfield一起,從三個妊娠階段:14.5天、16.5天和18.5天(小鼠平均出生于第20天)的小鼠胚胎處取得198個肺細(xì)胞。他們也從成年小鼠處取得了一些肺細(xì)胞。

利用標(biāo)準(zhǔn)酶技術(shù),他們?nèi)芙饬俗尫渭?xì)胞結(jié)合在一起形成組織的蛋白質(zhì),隨后分選出了作為他們研究焦點(diǎn)的特異肺泡細(xì)胞類型。他們接下來的步驟涉及了作為他們逆向工程過程核心的一些新技術(shù)。

 

回想一下點(diǎn)眼藥器是如何起作用的。擠壓橡膠球排出空氣;將它置于溶液中使其裝滿溶液;再次擠壓橡膠球擠出液體。近年來,生物級數(shù)學(xué)家們利用這些基本原理開發(fā)出了微流體裝置,它們能夠地從溶液中吸取單個細(xì)胞,將其分離到腔室中研究它的遺傳物質(zhì)。

Quake實驗室曾使用微流體芯片來研究單細(xì)胞。在這項研究中,他們利用微流體裝置捕獲了198個樣本肺細(xì)胞。隨后他們利用單細(xì)胞基因組測序檢測了每個時間點(diǎn)每個細(xì)胞中的活化基因。

 

他們是如何破譯單細(xì)胞中的基因組活性的呢?每個細(xì)胞核中的DNA都包含生物體的整個基因組。這就是為什么單個細(xì)胞可能構(gòu)建出一個生物體的原因。但是在特定的時間點(diǎn)特定的細(xì)胞中只有一部分的基因處于活性狀態(tài)。這也是肺細(xì)胞為什么不同于毛發(fā)細(xì)胞的原因;每個細(xì)胞都用一組不同的活化基因來操控它的功能。

 

基因通過生成mRNA來操控細(xì)胞活動。每個mRNA向細(xì)胞下達(dá)指令生成一種特殊蛋白。細(xì)胞實質(zhì)上就是一組相互作用的蛋白質(zhì)。因此知道活化的mRNAs為了解細(xì)胞在微流體設(shè)備中被捕獲時的功能提供了一個透鏡。

 

利用這一過程,斯坦福大學(xué)的研究人員地揭示出了這些特殊的肺細(xì)胞向著成熟肺泡發(fā)育每一階段的調(diào)控基因。

 

研究人員獲得了有關(guān)肺泡兩種重要細(xì)胞類型發(fā)育的重要研究發(fā)現(xiàn)。I型肺泡細(xì)胞是人體zui扁平的細(xì)胞。位于I型肺泡細(xì)胞旁邊的血細(xì)胞負(fù)責(zé)傳送氧氣或獲取二氧化碳。這些細(xì)胞的厚薄對于推動這種氣體交換至關(guān)重要。

 

II型肺泡細(xì)胞較小,呈立方形。它們分泌一些蛋白質(zhì)阻止肺泡萎縮,從而維持氧氣和二氧化碳通過的內(nèi)部空間。

 

利用單細(xì)胞基因組學(xué),研究人員可以逆向操控發(fā)育過程,揭示出了單個的前體細(xì)胞類型是如何生成這兩種不同的成熟肺泡細(xì)胞的。

研究人員還捕獲到了從前體細(xì)胞向成熟細(xì)胞狀態(tài)過渡的細(xì)胞,獲得了一些有關(guān)肺泡細(xì)胞分化機(jī)制的重要認(rèn)識。

盡管該研究將焦點(diǎn)放在肺細(xì)胞上,這一在胚胎發(fā)育不同階段捕獲單細(xì)胞,通過mRNA測序測定基因活性的技術(shù)適用于逆向操控其他的組織。

除研究胚胎發(fā)育,這一技術(shù)還可用于臨床環(huán)境中。例如,研究人員可以研究腫瘤單個細(xì)胞之間的差異,增進(jìn)我們對于癌癥各個階段的了解,促成更好的、更具靶向性的治療方法。

 

Desai說:“這一技術(shù)是我們認(rèn)識特定細(xì)胞群,包括具有特異功能的少見細(xì)胞群中整體細(xì)胞類型多樣性能力的一個量子飛躍。獲得每個細(xì)胞類型的全面分子特征,包括它們發(fā)送和接受的信號,將能夠顯現(xiàn)出單個細(xì)胞之間的通訊快照,有可能為疾病提供一些有吸引力的治療靶點(diǎn)。”

上海誠凜生物科技有限公司作者

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