Perturb-Multimodal:一种在完整哺乳动物组织中进行成像与测序的混合遗传筛选平台

Perturb-Multimodal: A platform for pooled genetic screens with imaging and sequencing in intact mammalian tissue.

作者信息Reuben A Saunders, William E Allen, Xingjie Pan, Jaspreet Sandhu, Jiaqi Lu, Thomas K Lau, Karina Smolyar, Zuri A Sullivan, Catherine Dulac, Jonathan S Weissman, Xiaowei Zhuang
PMID40513557
期刊Cell
发布时间2025-08-21
DOI10.1016/j.cell.2025.05.022

实验完整度

高

结合小鼠体内混合CRISPR筛选、单细胞测序和多重成像,包含功能验证和机制验证。

主要模型

Cas9转基因小鼠肝脏 原代肝细胞 K562-CRISPRi细胞系

重点核对

慢病毒注射剂量:约1×10^7滴度单位/动物 AAV8-Cre诱导剂量:约5×10^11基因组拷贝/动物 Cas9诱导后10天进行组织固定与分析 扰动文库:202个基因(每个2个sgRNA)加50个阴性对照 单细胞测序分析约55,000个单扰动细胞,成像分析约79,000个单扰动细胞

摘要

后生动物生命需要数千个基因在空间组织的细胞类型中协调活动。理解组织功能的基础需要方法来剖析体内多种细胞和组织表型的遗传控制。在此,我们提出了Perturb-Multimodal(Perturb-Multi),一种配对成像和测序的方法,用于在具有混合遗传扰动的组织中构建大规模、多模态的基因型-表型图谱。通过成像,我们在单个细胞中识别扰动,同时测量其基因表达谱和亚细胞形态。通过单细胞测序,我们测量对相同扰动的全转录组反应。我们将Perturb-Multi应用于研究小鼠肝脏中数百个遗传扰动。我们揭示了肝细胞分区、未折叠蛋白反应和脂肪变性的动态控制背后的候选遗传调控因子和机制。Perturb-Multi加速了复杂细胞和组织生理学的遗传基础的发现,并为新兴的细胞功能机器学习模型提供了关键的训练数据。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何在原位组织中系统解析基因对细胞和组织表型的调控?
核心机制
通过混合遗传扰动结合配对成像和单细胞测序,构建多模态基因型-表型图谱,揭示肝细胞分区、应激反应和脂肪变性的遗传调控机制。
主要证据
在小鼠肝脏中进行CRISPR筛选,利用RCA-MERFISH成像和固定细胞Perturb-seq测序,鉴定出调控肝细胞分区(如Hs6st1、B4galt7)、UPR(Sel1l)和脂肪变性(Insig1、Eif2s1、Aars、Pten)的基因。
研究意义
Perturb-Multi加速了复杂细胞和组织生理学遗传基础的发现,并为细胞功能机器学习模型提供训练数据。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

小鼠肝脏混合扰动文库递送

在活体肝细胞中引入遗传扰动

通过颞静脉注射慢病毒文库到新生小鼠,随后用AAV8-Cre诱导Cas9表达。

2

组织固定与切片

保留细胞和组织形态用于成像和测序

灌注固定肝脏,取10μm切片用于成像,100μm切片用于测序。

3

RCA-MERFISH成像

同时检测内源mRNA、扰动条码和蛋白质

对组织切片进行抗体染色、凝胶包埋、原位连接和滚环扩增,然后进行多轮杂交成像。

4

固定细胞Perturb-seq

获得全转录组表达谱和扰动身份

将固定组织解离成单细胞,FACS富集mTurquoise+和GFP+细胞,使用10x Flex平台进行单细胞RNA测序。

5

数据整合与分析

关联扰动与转录组和形态表型

使用CellRanger、自定义流程和机器学习方法处理数据,进行聚类和差异分析。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Fugene HD转染试剂PromegaE2311
Lenti-X浓缩试剂Takara631232
Chromium固定RNA试剂盒,小鼠转录组10x Genomics1000496
抗钙网蛋白抗体Abcamab271865
抗组织蛋白酶B抗体CSTD1C7YBF
抗GAPDH抗体CST14C10BF
抗脂滴包被蛋白抗体Proteintech15294-1-AP
抗磷酸化S6核糖体蛋白抗体CST2211BF
SplintR连接酶NEBM0375S
NxGen phi29 DNA聚合酶Lucigen30221-3
BccI限制酶NEBR0704S
BciVI限制酶NEBR0596S

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
慢病毒递送
注射剂量:约1×10^7滴度单位/动物;注射途径:颞静脉;小鼠日龄:P1
阅读提示:STAR Methods: Mosaic Liver Preparation
Cas9诱导
AAV8-Cre剂量:约5×10^11基因组拷贝/动物;注射途径:眶后注射;诱导时间:P30后
阅读提示:STAR Methods: Mosaic Liver Preparation
组织固定与切片
固定液:PBS+4%多聚甲醛;切片厚度:成像10μm,测序100μm
阅读提示:STAR Methods: Mosaic Liver Preparation
RCA-MERFISH成像
编码探针浓度:1 nM/探针;杂交时间:36-48小时;成像物镜:40X或60X
阅读提示:STAR Methods: RCA-MERFISH Sample Preparation 和 Multiplexed RNA and protein imaging
固定细胞Perturb-seq
sgRNA探针浓度:2 nM;细胞分选门:mTurquoise+和GFP+;测序平台:NovaSeq 6000
阅读提示:STAR Methods: Fixed Cell scRNA-seq Library Preparation and Sequencing