尽管遗传学和基因组学的进展揭示了许多与疾病相关的基因突变，但医生和研究人员仍然面临着将这些突变与实际致病过程联系起来的棘手挑战。再加上单细胞生物学的不断发展，它能在特定时刻检测每个细胞的基因和/或蛋白质的表达，这项任务变得更加艰巨。
 
现在，辛辛那提儿童医院医学中心的研究人员在Nature杂志上发表了一篇研究报告，他们开发了一种分子工作流程，利用单细胞方法来了解与特定患者基因突变相关的分子通路。科学家们首次发现了一种基因突变，这种突变会导致儿童血液疾病--严重的先天性嗜中性白血球减少症(SCN)。这种突变被发现可以阻止导致形成中性粒细胞的血液细胞的发育。
图片来源：Cincinnati Children's
 
来自辛辛那提儿童免疫生物学部门的该研究通讯作者H. Leighton Grimes博士表示，该研究创建了一个新的平台，研究人员和临床医生的单细胞基因组学研究各种不同的疾病，这可能会使在诊所会诊断更准确和有效。
 
Grimes说："除了一些已知的致病突变外，确定重要和不重要的DNA变化之间的区别可能是繁琐和困难的。我们已经可以对孩子的基因组进行测序，并将DNA序列差异与疾病联系起来。然而，确定哪些DNA变化是真正的致病突变很困难，但对于理解疾病的分子机制并推动治愈是至关重要的。"
 
跟踪基因的恶作剧
 
研究人员主要关注与独立生长因子1 (GFI1)基因相关的突变。患有SCN的儿童免疫系统中只有不成熟的血细胞，包括不成熟的中性粒细胞。这使他们处于感染和疾病的高风险中。
 
研究人员用小鼠和人类中性粒细胞建立了SCN的遗传模型，该模型证实了GFI1突变的致病效应，并使科学家能够确定突变的GFI1在细胞发育周期的每个阶段如何影响中性粒细胞血细胞。这些新数据使他们能够在他们的SCN模型中成功地治疗和部分拯救中性粒细胞。
 
虽然遗传操作挽救了GFI1突变对中性粒细胞特异性的影响(分化的第一步)，但产生的细胞在功能方面仍有缺陷(分化的后期，效应功能已编程)。这意味着被救出的细胞仍然不能完全作为先天免疫系统的一部分发挥作用，先天免疫系统是人体抵御感染的第一道防线。
 
这一发现强调了治疗每一种受致突变疾病影响的细胞类型的重要性。新的分子工作流程系统有望帮助促进治疗干预的战略靶向。
 
将生物学和超级计算机结合
 
这项工作始于人类遗传学部门，使用了一种临床分析方法，对225名SCN患儿的细胞基因组进行了重新排序。研究人员发现GFI1基因的DNA序列发生了改变。虽然已知GFI1的某些突变会导致中性粒细胞减少症，但许多GFI1 DNA序列的改变具有未知的临床意义。
 
接下来，研究团队将计算生物信息学(由共同通讯作者Nathan Salomonis博士领导)与实验室的生物实验相结合。
 
为了确定新发现的GFI1的DNA序列变化是否会导致中性粒细胞减少症，研究人员创建了两个遗传模型。他们将SCN患者的GFI1突变基因导入小鼠基因组以及人类诱导的多能干细胞中。
 
干细胞可诱导产生人中性粒细胞。随着嗜中性粒细胞的发育，研究人员在正常和突变的人类细胞和小鼠细胞发育周期的每个阶段捕获其表达基因、蛋白质组和其他分子成分。接下来，他们采用了一种新的信息学工作流程，称为cellHarmony。这使他们能够详细比较正常细胞和突变细胞在中性粒细胞发育的每个阶段的下游靶基因和分子活性。
 
在人类细胞和GFI1突变的小鼠中，该突变引发了一系列分子功能障碍，阻碍了未成熟中性粒细胞的发育。这证实了GFI1基因DNA序列改变的致病作用。
图片来源：Nature
 
这种功能障碍在一定程度上是由正在发育的突变细胞的细胞核中的染色质缺陷造成的。突变细胞中的染色质保持开放状态，并在随后的发育阶段受到DNA改变的影响。这有助于科学家识别受突变基因影响最大的细胞状态--特别是那些包含中性粒细胞的状态。
 
新的数据使研究人员能够从基因上修复中性粒细胞，从而控制中性粒细胞的数量。但是，修复中性粒细胞的数量并不能自动修复中性粒细胞的功能，在这个发展阶段，中性粒细胞的先天免疫功能是程序化的。
 
患有SCN的儿童经常使用一种叫做粒细胞集落刺激因子的细胞因子进行治疗，这种疗法可以恢复中性粒细胞的产生。但是这些儿童经常需要接受抗生素和抗真菌药物的治疗，以对抗各种感染。
 
Grimes说，这就提出了细胞因子治疗是否能完全修复缺陷的问题，特别是因为接受细胞因子治疗的SCN儿童需要额外的治疗来保护他们免受复发性感染的影响。当研究人员分析细胞因子处理过的SNC患者中性粒细胞的先天免疫功能时，他们发现，与他们研究的小鼠细胞相似，这些细胞没有正常的功能--先天免疫功能有缺陷。
 
现在，未来的工作重点是了解恢复中性粒细胞功能的方法，以及开发中性粒细胞如何控制其染色质和基因表达，以对抗细菌和真菌感染。
 
参考资料：
 
【1】Finding genetic ripple effects in a single-cell environment
 
【2】Mouse models of neutropenia reveal progenitor-stage-specific defects， Nature (2020). DOI： 10.1038/s41586-020-2227-7