使用細(xì)胞內(nèi)工具包繪制干細(xì)胞中的細(xì)胞器生物地理學(xué)

細(xì)胞器——細(xì)胞內(nèi)RNA和蛋白質(zhì)的片段——在人類健康和疾病中起著重要作用，例如維持體內(nèi)平衡，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)和衰老以及產(chǎn)生能量。細(xì)胞中的細(xì)胞器多樣性不僅存在于細(xì)胞類型之間，還存在于單個(gè)細(xì)胞之間。研究這些差異有助于研究人員更好地了解細(xì)胞功能，從而改進(jìn)治療各種疾病的治療方法。

在佐治亞理工學(xué)院和埃默里大學(xué)庫爾特生物醫(yī)學(xué)工程系的伯尼·馬庫斯早期職業(yè)教授AhmetF.Coskun實(shí)驗(yàn)室的兩篇論文中，研究人員使用細(xì)胞內(nèi)工具包檢查了一種特定類型的干細(xì)胞，以確定哪些細(xì)胞最有可能產(chǎn)生有效的細(xì)胞療法。

我們正在研究細(xì)胞器在細(xì)胞內(nèi)的位置以及它們?nèi)绾谓涣饕詭椭玫刂委熂膊?。我們最近的工作建議使用細(xì)胞內(nèi)工具包來繪制干細(xì)胞中的細(xì)胞器生物地理學(xué)，這可能導(dǎo)致更精確的治療。

第一項(xiàng)研究-;發(fā)表在《自然》雜志《科學(xué)報(bào)告》上;研究了間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)，這些干細(xì)胞歷來為修復(fù)缺陷細(xì)胞或調(diào)節(jié)患者的免疫反應(yīng)提供了有希望的治療方法。在一系列實(shí)驗(yàn)中，研究人員能夠通過快速亞細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)成像創(chuàng)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的單細(xì)胞方法，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的干細(xì)胞治療。

研究人員隨后實(shí)施了一種快速多重免疫熒光技術(shù)，其中他們使用旨在靶向特定細(xì)胞器的抗體。通過熒光抗體，他們跟蹤波長(zhǎng)和信號(hào)以編譯許多不同細(xì)胞的圖像，創(chuàng)建地圖。然后，這些圖譜使研究人員能夠看到細(xì)胞器接觸的空間組織和相似細(xì)胞中的地理分布，以確定哪種細(xì)胞類型最能治療各種疾病。

“通常，干細(xì)胞用于修復(fù)有缺陷的細(xì)胞或治療免疫疾病，但我們對(duì)這些特定細(xì)胞的微觀研究表明它們彼此之間有多么不同，”Coskun說。“這證明，在選擇組織來源時(shí)，應(yīng)考慮患者治療人群和干細(xì)胞身份及其生物能量細(xì)胞器功能的定制分離。換句話說，在治療特定疾病時(shí)，最好根據(jù)患者的需要從不同位置收獲相同類型的細(xì)胞。

RNA-RNA鄰近性很重要

在本周發(fā)表在CellReportsMethods上的下一項(xiàng)研究中，研究人員將工具包更進(jìn)一步，研究了單個(gè)細(xì)胞中多個(gè)相鄰RNA分子的空間組織，這對(duì)細(xì)胞功能很重要。研究人員通過結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)來發(fā)展該工具。他們發(fā)現(xiàn)，分析基因接近性的變化以進(jìn)行細(xì)胞類型分類比僅分析基因表達(dá)更準(zhǔn)確。

“分子之間的物理相互作用創(chuàng)造了生命;因此，這些分子的物理位置和接近度起著重要作用，“Coskun說。“我們?cè)诿總€(gè)細(xì)胞的不同地理部位創(chuàng)建了一個(gè)亞細(xì)胞基因鄰域網(wǎng)絡(luò)的細(xì)胞內(nèi)工具包，以仔細(xì)研究這一點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)由兩部分組成：計(jì)算方法的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)。研究人員檢查了已發(fā)表的數(shù)據(jù)集和一種根據(jù)RNA分子的物理位置對(duì)RNA分子進(jìn)行分組的算法。這種“最近鄰”算法有助于確定基因分組。在工作臺(tái)上，研究人員隨后用熒光標(biāo)記RNA分子，以便在單個(gè)細(xì)胞中輕松定位它們。然后，他們從RNA分子的分布中發(fā)現(xiàn)了許多特征，例如基因可能位于相似的亞細(xì)胞位置。

細(xì)胞治療需要許多具有高度相似表型的細(xì)胞，如果治療細(xì)胞中存在未知細(xì)胞的亞型，研究人員無法預(yù)測(cè)這些細(xì)胞一旦注射到患者體內(nèi)的行為。使用這些工具，可以鑒定更多相同類型的細(xì)胞，并且可以分離出具有不常見基因程序的不同干細(xì)胞亞群。

“我們正在擴(kuò)展分子亞細(xì)胞空間組織的工具包-如果你愿意的話，這是亞細(xì)胞空間組學(xué)領(lǐng)域的'瑞士軍刀'，”Coskun說。“目標(biāo)是測(cè)量，量化和建模每個(gè)細(xì)胞中具有多種功能的多個(gè)獨(dú)立但又相互關(guān)聯(lián)的分子事件。最終目的是定義細(xì)胞的功能，以實(shí)現(xiàn)高能量，樂高狀模塊化基因鄰域網(wǎng)絡(luò)和多樣化的細(xì)胞決策。

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