盡管遺傳學(xué)和基因組學(xué)的進(jìn)展揭示了許多與疾病相關(guān)的基因突變，但醫(yī)生和研究人員仍然面臨著將這些突變與實(shí)際致病過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的棘手挑戰(zhàn)。再加上單細(xì)胞生物學(xué)的不斷發(fā)展，它能在特定時(shí)刻檢測(cè)每個(gè)細(xì)胞的基因和/或蛋白質(zhì)的表達(dá)，這項(xiàng)任務(wù)變得更加艱巨。

現(xiàn)在，辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)學(xué)中心的研究人員在Nature雜志上發(fā)表了一篇研究報(bào)告，他們開發(fā)了一種分子工作流程，利用單細(xì)胞方法來(lái)了解與特定患者基因突變相關(guān)的分子通路?？茖W(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)了一種基因突變，這種突變會(huì)導(dǎo)致兒童血液疾病--嚴(yán)重的先天性嗜中性白血球減少癥(SCN)。這種突變被發(fā)現(xiàn)可以阻止導(dǎo)致形成中性粒細(xì)胞的血液細(xì)胞的發(fā)育。

圖片來(lái)源：Cincinnati Children's

來(lái)自辛辛那提兒童免疫生物學(xué)部門的該研究通訊作者H. Leighton Grimes博士表示，該研究創(chuàng)建了一個(gè)新的平臺(tái)，研究人員和臨床醫(yī)生的單細(xì)胞基因組學(xué)研究各種不同的疾病，這可能會(huì)使在診所會(huì)診斷更準(zhǔn)確和有效。

Grimes說(shuō)："除了一些已知的致病突變外，確定重要和不重要的DNA變化之間的區(qū)別可能是繁瑣和困難的。我們已經(jīng)可以對(duì)孩子的基因組進(jìn)行測(cè)序，并將DNA序列差異與疾病聯(lián)系起來(lái)。然而，確定哪些DNA變化是真正的致病突變很困難，但對(duì)于理解疾病的分子機(jī)制并推動(dòng)治愈是至關(guān)重要的。"

跟蹤基因的惡作劇

研究人員主要關(guān)注與獨(dú)立生長(zhǎng)因子1 (GFI1)基因相關(guān)的突變?；加蠸CN的兒童免疫系統(tǒng)中只有不成熟的血細(xì)胞，包括不成熟的中性粒細(xì)胞。這使他們處于感染和疾病的高風(fēng)險(xiǎn)中。

研究人員用小鼠和人類中性粒細(xì)胞建立了SCN的遺傳模型，該模型證實(shí)了GFI1突變的致病效應(yīng)，并使科學(xué)家能夠確定突變的GFI1在細(xì)胞發(fā)育周期的每個(gè)階段如何影響中性粒細(xì)胞血細(xì)胞。這些新數(shù)據(jù)使他們能夠在他們的SCN模型中成功地治療和部分拯救中性粒細(xì)胞。

雖然遺傳操作挽救了GFI1突變對(duì)中性粒細(xì)胞特異性的影響(分化的第一步)，但產(chǎn)生的細(xì)胞在功能方面仍有缺陷(分化的后期，效應(yīng)功能已編程)。這意味著被救出的細(xì)胞仍然不能完全作為先天免疫系統(tǒng)的一部分發(fā)揮作用，先天免疫系統(tǒng)是人體抵御感染的第一道防線。

這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了治療每一種受致突變疾病影響的細(xì)胞類型的重要性。新的分子工作流程系統(tǒng)有望幫助促進(jìn)治療干預(yù)的戰(zhàn)略靶向。

將生物學(xué)和超級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)合

這項(xiàng)工作始于人類遺傳學(xué)部門，使用了一種臨床分析方法，對(duì)225名SCN患兒的細(xì)胞基因組進(jìn)行了重新排序。研究人員發(fā)現(xiàn)GFI1基因的DNA序列發(fā)生了改變。雖然已知GFI1的某些突變會(huì)導(dǎo)致中性粒細(xì)胞減少癥，但許多GFI1 DNA序列的改變具有未知的臨床意義。

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將計(jì)算生物信息學(xué)(由共同通訊作者Nathan Salomonis博士領(lǐng)導(dǎo))與實(shí)驗(yàn)室的生物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。

為了確定新發(fā)現(xiàn)的GFI1的DNA序列變化是否會(huì)導(dǎo)致中性粒細(xì)胞減少癥，研究人員創(chuàng)建了兩個(gè)遺傳模型。他們將SCN患者的GFI1突變基因?qū)胄∈蠡蚪M以及人類誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞中。

干細(xì)胞可誘導(dǎo)產(chǎn)生人中性粒細(xì)胞。隨著嗜中性粒細(xì)胞的發(fā)育，研究人員在正常和突變的人類細(xì)胞和小鼠細(xì)胞發(fā)育周期的每個(gè)階段捕獲其表達(dá)基因、蛋白質(zhì)組和其他分子成分。接下來(lái)，他們采用了一種新的信息學(xué)工作流程，稱為cellHarmony。這使他們能夠詳細(xì)比較正常細(xì)胞和突變細(xì)胞在中性粒細(xì)胞發(fā)育的每個(gè)階段的下游靶基因和分子活性。

在人類細(xì)胞和GFI1突變的小鼠中，該突變引發(fā)了一系列分子功能障礙，阻礙了未成熟中性粒細(xì)胞的發(fā)育。這證實(shí)了GFI1基因DNA序列改變的致病作用。

圖片來(lái)源：Nature

這種功能障礙在一定程度上是由正在發(fā)育的突變細(xì)胞的細(xì)胞核中的染色質(zhì)缺陷造成的。突變細(xì)胞中的染色質(zhì)保持開放狀態(tài)，并在隨后的發(fā)育階段受到DNA改變的影響。這有助于科學(xué)家識(shí)別受突變基因影響最大的細(xì)胞狀態(tài)--特別是那些包含中性粒細(xì)胞的狀態(tài)。

新的數(shù)據(jù)使研究人員能夠從基因上修復(fù)中性粒細(xì)胞，從而控制中性粒細(xì)胞的數(shù)量。但是，修復(fù)中性粒細(xì)胞的數(shù)量并不能自動(dòng)修復(fù)中性粒細(xì)胞的功能，在這個(gè)發(fā)展階段，中性粒細(xì)胞的先天免疫功能是程序化的。

患有SCN的兒童經(jīng)常使用一種叫做粒細(xì)胞集落刺激因子的細(xì)胞因子進(jìn)行治療，這種療法可以恢復(fù)中性粒細(xì)胞的產(chǎn)生。但是這些兒童經(jīng)常需要接受抗生素和抗真菌藥物的治療，以對(duì)抗各種感染。

Grimes說(shuō)，這就提出了細(xì)胞因子治療是否能完全修復(fù)缺陷的問(wèn)題，特別是因?yàn)榻邮芗?xì)胞因子治療的SCN兒童需要額外的治療來(lái)保護(hù)他們免受復(fù)發(fā)性感染的影響。當(dāng)研究人員分析細(xì)胞因子處理過(guò)的SNC患者中性粒細(xì)胞的先天免疫功能時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，與他們研究的小鼠細(xì)胞相似，這些細(xì)胞沒(méi)有正常的功能--先天免疫功能有缺陷。

現(xiàn)在，未來(lái)的工作重點(diǎn)是了解恢復(fù)中性粒細(xì)胞功能的方法，以及開發(fā)中性粒細(xì)胞如何控制其染色質(zhì)和基因表達(dá)，以對(duì)抗細(xì)菌和真菌感染。（生物谷Bioon.com）

小編推薦會(huì)議 2021 （第四屆）單細(xì)胞多組學(xué)研究與臨床應(yīng)用峰會(huì)

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