既要转录组测得了,又要细胞活得好。若干年前,有一个“诡异现象”困惑着攻读博士学位的陈万泽。他在诱导细胞死亡时经常发现,明明诱导条件和细胞来源相同,细胞死亡速度和反应却大不一样。这一“诡异现象”似乎说明:那些看起来一样的细胞其实不完全一样!同样的问题困扰着所有研究单细胞的科学家。
细胞从前世到今生的变化蕴含了我们生老病死的奥秘:一个受精卵的今时昨日就是一次个体发育的历程;一个癌细胞的来龙去脉就是一部肿瘤发病史;一个免疫细胞的出场谢幕就是一场和病原殊死搏杀的战争大戏。所以,跟踪细胞的动态变化过程不仅有助于解码细胞生命的奥秘,更有助于揭示疾病发生的根本原因。
细胞内各个基因是否表达、每个基因表达量的高低被称作细胞的转录组,可以很好地体现细胞的状态。2009年汤富酬教授开发了单细胞mRNA测序技术,可以了解单独一个细胞的转录组来解析细胞状态。但是普通的单细胞转录组测序技术有一个局限:需要裂解杀死细胞获得所有mRNA才能做转录组测序。这就导致了科研人员只能解析某一时刻的单细胞转录组,无法在测量细胞转录组之后继续观察细胞的状态。
从韩家淮院士课题组博士毕业后,陈万泽老师来到了瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)Bart Deplancke课题组做博后,得到了诺贝尔奖得主Bruce Beutler(先天性免疫受体发现者诺贝尔奖得主)的指引:“一个问题很多人关心,就是一个好问题;一个好问题很多人试图解决都解决不了,就是一个难题。好问题值得去解决,而难题值得用你所有精力去努力”。
陈万泽决定,开发一种能对活细胞做转录组的技术,要能记录直径只有头发丝1/1000的细胞中转录组的“悲欢离合,电影人生”。
经过不断努力这项新技术开发了出来,并最终被命名为——live-seq活细胞测序。技术开发出来必然要接受一系列的质问和考验:普通单细胞转录组可以描述不同细胞状态,你live-seq能准确描述出不同细胞的类型和状态吗?能!联合课题组用live-seq测了五种状态细胞的转录组,一共检测了294个细胞,平均每个细胞检测到约4112个基因的表达,与常规单细胞转录组方法检测到的基因数量接近。
回顾live-seq的开发过程,学科交叉显得尤为重要,优化超微量RNA的测序步骤需要扎实的生物学实验功底,大批的数据分析需要生物信息的能力,更不要提原子力显微镜的使用需要跨到材料领域学习。这其中任何一项的缺失都会导致这项技术的开发失败,陈老师讲述中课题组之间的合作早就不是各自分工,而更像武侠小说里身负多项绝学后洗练招式的融会贯通。
以上的研究经历和研究结果是2022年8月17日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所陈万泽课题组、瑞士洛桑联邦理工(EPFL)Bart Deplancke课题组和苏黎世联邦理工(ETHZ)Julia Vorholt课题组合作在Nature发表的题为Genome-wide molecular recording using Live-seq的文章,该研究开创了一种利用原子力显微镜对活细胞转录组做测序的方法,可以将scRNA-seq从终点分析转换为时间分析来解决广泛的生物学问题。