MERFISH-based pooled genetic screening reveals cell non-autonomous phenotypes in intact tissue

细胞并非孤立存在。即使在单个器官内部，它们也存在于一个拥挤且具有结构的邻里环境中，其位置、形状以及与邻居的持续交流共同塑造了它们的行为。几十年来，科学家们一直能够研究改变单个基因如何影响细胞，但若要在保留细胞原始位置及其与周围组织关系的同时进行此类研究，一直是一个重大障碍。传统方法需要将细胞从体内取出，将其破碎，并在试管中读取其遗传密码。这个过程破坏了细胞原先所在的位置图谱以及它的邻居是谁。为了真正理解遗传变化如何在一块活体组织中产生涟漪效应，研究人员需要一种方法，能够观察完整的器官内部，识别哪些细胞被改变了，并观察这些变化如何影响紧邻的细胞，同时又不丢失空间背景。

哈佛大学和霍华德·休斯医学研究所的一个研究小组开发了一种新的成像技术，解决了这一问题。他们创造了一种方法，可以直接在完整的完整小鼠肝脏组织中进行大规模遗传筛选。通过使用名为 MERFISH 的高分辨率成像系统，他们能够追踪单个细胞的遗传身份，测量其内部分子状态，并绘制其相对于邻居的精确位置。这项创新的关键在于，无需使用复杂的化学步骤来放大信号，即可读取识别哪些细胞被改变的遗传“条形码”。这种简化使他们能够检测到比以往方法多得多的遗传标记和细胞信息，从而能够在单次实验中对 150 万个细胞进行剖析。其结果是一幅详细的三维图谱，不仅展示了修改后的细胞如何改变自身，还展示了它如何重塑周围的整个局部环境。

研究人员首先改进了他们的工具，使其无需依赖酶促扩增（这是一种常用于增强成像中微弱信号的化学过程）。在他们之前的工作中，必须使用酶来倍增附着在待研究细胞上的遗传条形码，但这增加了步骤，有时会降低数据的清晰度。他们发现，通过设计更短、更紧凑的遗传条形码，并依靠细胞内这些分子的天然丰度，可以直接通过简单的杂交来检测它们。这种直接的方法被证明效率显著提高。与旧方法相比，它回收了近十倍的遗传条形码和两倍半的细胞信息。这种改进意味着他们可以更有信心地为更多的细胞分配遗传身份，并观察到以前无法察觉的基因活动细微变化。

掌握了这一改进后的系统后，团队转向研究小鼠肝脏——这是一个由许多不同类型细胞协同工作的复杂器官。他们在幼年小鼠的肝脏中引入了一套遗传指令库，针对肝细胞（即肝细胞）中约 200 个特定的已知基因。每个肝细胞都接收了一个唯一的遗传条形码作为标签，使研究人员能够准确知道该特定细胞中的哪个基因被改变了。在小鼠生长并使遗传变化生效后，研究人员对肝脏组织进行了切片，并使用其成像系统扫描了整个器官。他们识别了每个细胞的遗传身份，测量了其中数百个基因的活性，并记录了其在组织中的精确位置。总计，他们分析了超过 150 万个细胞，创建了一个将遗传变化与细胞状态及空间位置联系起来的海量数据集。

研究揭示了两种截然不同的效应。首先，研究人员证实，改变肝细胞中的基因会导致该特定细胞改变其自身行为，这种现象被称为细胞自主性反应（cell-autonomous response）。例如，当他们破坏一个涉及蛋白质折叠的基因时，受影响的肝细胞表现出明显的应激反应，即开启处理损伤的基因，同时关闭与其正常肝功能相关的基因。这些变化局限于被改变的细胞本身，而相邻的细胞则不受影响。这证实了新方法能够准确捕捉复杂活体器官环境中遗传扰动的直接后果。

更令人惊讶的是，研究人员发现，改变肝细胞中的单个基因也可以触发紧邻其细胞的变化，这种现象被称为细胞非自主性反应（cell non-autonomous response）。一个细胞中的遗传改变会发出信号，重塑其局部邻里。在一个引人注目的例子中，当他们破坏肝细胞中的一个名为 Vhl 的基因时，这些细胞开始表现得仿佛处于低氧环境中。这种变化引发了一系列连锁反应：紧邻受损肝细胞的血管细胞和支持细胞开始表达与构建新血管相关的基因，并激活自身的生长程序。这些变化在靠近受损肝细胞的细胞中最为强烈，并随着距离的增加而逐渐减弱，显示出从源头辐射出的清晰影响梯度。

在另一项发现中，团队发现破坏一个涉及细胞泵（V-ATPase）的基因会导致特定类型的免疫细胞局部聚集。当肝细胞的 V-ATPase 功能受损时，一种类似于浆细胞样树突状细胞的免疫细胞会紧挨着它们大量聚集。这种积累在其他遗传变化中并未出现，表明这种细胞泵的失效与这些免疫细胞的招募之间存在特定的联系。研究人员观察到，这些免疫细胞集中在受损肝细胞极短的距离内，形成了一个在周围健康组织中并不存在的独特集群。

这种新方法的强大之处在于，它能够将遗传变化、细胞自身的反应以及其邻居的反应联系起来，同时保留组织的物理布局。通过绘制这些相互作用在活体器官中的情况，研究人员展示了遗传扰动并非发生在真空之中；它们会向外扩散，改变局部细胞群落的组成和行为。这项研究提供了一种简化且可扩展的方法，用于研究遗传改变的细胞如何重塑其微环境，为观察细胞在完整组织内的复杂社会生活提供了一个新的窗口。该方法为理解疾病如何在器官内传播或被遏制，以及细胞的物理排列如何影响其功能开辟了道路，且无需将组织破碎。