新技术允许在专门研究几代细胞时跟踪基因表达

通过将复杂的RNA测序技术与分离单个细胞及其后代的新设备相结合，麻省理工学院的研究人员现在可以追踪来自一个“祖先”的几代细胞的详细家族历史。该技术可以跟踪细胞分化时基因表达的变化，对于研究干细胞或免疫细胞如何成熟特别有用。它还可以阐明癌症的发展方式。

“现有方法允许对单细胞基因表达进行快照测量，这可以提供非常深入的信息。这种新方法提供的是能够在多代中跟踪细胞并将这些信息置于细胞的线性历史背景中， “生物工程研究生，一篇论文的主要作者罗伯特·金默林说，他在1月6日出版的” 自然通讯“杂志上发表了这篇论文。

该论文的高级作者是Scott Manalis，Andrew和Erna Viterbi生物工程教授，麻省理工学院Koch综合癌症研究所成员，Alex Shalek，Hermann LF von Helmholtz职业发展助理教授，健康科学和技术助理化学教授，麻省理工学院医学工程与科学研究所成员。

捕获细胞谱系

这种新方法采用了最近开发的称为单细胞RNA-seq的技术，该技术对来自单个细胞的信使RNA进行测序。这些RNA(统称为转录组)揭示了哪些基因在给定时间点被活跃地转录(即，复制到用于构建蛋白质的信使RNA指令中)。例如，这有助于科学家了解皮肤细胞与心脏细胞如此不同的原因，即使细胞共享相同的DNA。

“科学家已经建立了很好的方法来解决人口的不同子集，但有一点不太明确的是这种多样性是如何产生的。这是我们所针对的关键问题：单个创始细胞如何产生非常多样化的后代， “Kimmerling说。

为了尝试回答这个问题，研究人员设计了一种微流体装置，首先捕获一个单独的细胞，然后捕获所有后代细胞。该设备有几个连接的通道，每个通道都有一个可以捕获单个细胞的陷阱。在初始细胞分裂后，其子细胞沿着装置进一步流动并被困在下一个通道中。研究人员表明，他们可以通过这种方式捕获多达五代细胞并跟踪他们之间的关系。

为了让细胞离开芯片，研究人员暂时逆转流过芯片的液体的方向，允许它们一次一个地去除细胞以进行单细胞RNA-seq。

在这项研究中，研究人员捕获并测序了称为T细胞的免疫细胞。这些细胞在体内处于持续警戒状态，当它们遇到被病毒或细菌感染的细胞时，它们会跳跃起作用，产生两种不同的群体 - 效应T细胞，它们寻找并摧毁受感染的细胞，并记忆T细胞，保留对遭遇的记忆，并在随后遭遇的情况下无限期地在身体中传播。“单个创始细胞可以产生效应细胞和记忆细胞亚型，但产生多样性的方式并不十分明确，”Kimmerling说。

研究人员分析了最近激活的T细胞和后续两代的RNA。当比较具有与T细胞活化和分化相关的功能的基因时，他们发现由相同分裂事件产生的“姐妹”细胞在其基因表达谱中比两个不相关的细胞更相似。他们还发现具有相同“祖母”的“表亲”细胞与无关细胞更相似，这表明单个T细胞具有独特的家族特异性转录谱。

研究人员希望，使用该装置进行的未来研究可以帮助解决关于T细胞如何分化为效应细胞和记忆细胞的长期争论。一种理论认为，这种区别早在激活后的第一个T细胞分裂就会发生，而竞争理论则表明，由于细胞微环境的变化，这种区别会在稍后发生。为了解决这个问题，研究人员认为他们需要分析从暴露于外来病原体的小鼠中取出的T细胞的发育情况，这将提供一种有效的T细胞活化模型以应对感染。

研究人员表示，新设备还可用于将RNA转录组信息与其他细胞特征联系起来。“它开辟了前所未有的可能性，”马纳丽斯说。“我们可以通过将此策略应用于我们现有的用于测量质量，生长速率，密度或可变形性的设备来进一步注释单细胞转录组数据。”

细胞“年龄”

在这项研究中，研究人员还发现他们可以使用他们的新技术来了解哪些基因在细胞分裂周期中的某些点表达。因为它们捕获每个细胞并记录它最后分裂的时间，它们可以直接将每个细胞的“年龄”与其转录组连接起来。

他们鉴定了一组约300个基因，这些基因与分裂后的时间最相应(代表细胞周期进程)，并发现大多数基因参与细胞分裂。因此，通过测量相似细胞中300个基因的水平，科学家应该能够估计这些细胞的年龄。研究人员还发现，一种不断增殖的白血病细胞系具有不同的基因组，这些基因似乎在推动细胞分裂。“在未来，这种方法可能能够提供对各种癌症模型中细胞周期进展的独特转录调节因子的深入了解，”Kimmerling说。