對細(xì)胞中的所有RNA進(jìn)行測序可以揭示大量關(guān)于細(xì)胞功能的信息，以及它在特定時間點(diǎn)的功能。然而，測序過程破壞了細(xì)胞，使得研究基因表達(dá)的持續(xù)變化變得困難。
麻省理工學(xué)院開發(fā)的另一種方法可以使研究人員在很長一段時間內(nèi)追蹤這些變化。這種新方法基于一種被稱為拉曼光譜的非侵入性成像技術(shù)，不會傷害細(xì)胞，而且可以重復(fù)進(jìn)行。
利用這項(xiàng)技術(shù)，研究人員表明，他們可以在幾天內(nèi)監(jiān)測胚胎干細(xì)胞分化成其他幾種細(xì)胞類型的過程。這項(xiàng)技術(shù)可以研究長期的細(xì)胞過程，如癌癥進(jìn)展或胚胎發(fā)育，有朝一日可能用于癌癥和其他疾病的診斷。
“有了拉曼成像，你可以測量更多的時間點(diǎn)，這對研究癌癥生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和許多退行性疾病可能很重要，”麻省理工學(xué)院生物和機(jī)械工程教授、麻省理工學(xué)院激光生物醫(yī)學(xué)研究中心主任、該論文的作者之一Peter So說。
Koseki Kobayashi-Kirschvink是麻省理工學(xué)院以及哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院Broad研究所的博士后，他是這項(xiàng)研究的主要作者，該研究發(fā)表在今天的《Nature Biotechnology》雜志上。
成像基因表達(dá)
拉曼光譜（Raman spectroscopy）是一種非侵入性技術(shù)，通過向組織或細(xì)胞照射近紅外或可見光來揭示組織或細(xì)胞的化學(xué)成分。麻省理工學(xué)院的激光生物醫(yī)學(xué)研究中心自1985年以來一直致力于生物醫(yī)學(xué)拉曼光譜研究，最近，So和該中心的其他人開發(fā)了基于拉曼光譜的技術(shù)，可用于診斷乳腺癌或測量血糖。
然而，拉曼光譜本身不夠靈敏，無法檢測到單個RNA分子水平變化這樣小的信號。為了測量RNA水平，科學(xué)家通常使用一種稱為單細(xì)胞RNA測序的技術(shù)，這種技術(shù)可以揭示組織樣本中不同類型細(xì)胞中活躍的基因。
在這個項(xiàng)目中，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)試圖通過訓(xùn)練計算模型將拉曼信號翻譯成RNA表達(dá)狀態(tài)，將單細(xì)胞RNA測序和拉曼光譜的優(yōu)勢結(jié)合起來。
“RNA測序給了你非常詳細(xì)的信息，但它是破壞性的。拉曼是無創(chuàng)的，但它不能告訴你任何關(guān)于RNA的信息。因此，這個項(xiàng)目的想法是使用機(jī)器學(xué)習(xí)來結(jié)合兩種模式的優(yōu)勢，從而讓你了解單細(xì)胞水平上基因表達(dá)譜的動態(tài)，”Kobayashi-Kirschvink說。
為了生成數(shù)據(jù)來訓(xùn)練他們的模型，研究人員對小鼠成纖維細(xì)胞(一種皮膚細(xì)胞)進(jìn)行了因子處理，使細(xì)胞重新編程成為多能干細(xì)胞。在這個過程中，細(xì)胞也可以轉(zhuǎn)化為其他幾種細(xì)胞類型，包括神經(jīng)細(xì)胞和上皮細(xì)胞。
利用拉曼光譜，研究人員對細(xì)胞在18天內(nèi)分化的36個時間點(diǎn)進(jìn)行了成像。每張圖像拍攝后，研究人員使用單分子熒光原位雜交(smFISH)分析每個細(xì)胞，該技術(shù)可用于可視化細(xì)胞內(nèi)特定的RNA分子。在這種情況下，他們尋找編碼九種不同基因的RNA分子，這些基因的表達(dá)模式因細(xì)胞類型而異。
smFISH數(shù)據(jù)可以作為拉曼成像數(shù)據(jù)和單細(xì)胞RNA測序數(shù)據(jù)之間的鏈接。為了建立這種聯(lián)系，研究人員首先訓(xùn)練了一個深度學(xué)習(xí)模型，根據(jù)從這些細(xì)胞中獲得的拉曼圖像來預(yù)測這9個基因的表達(dá)。
然后，他們使用Broad研究所先前開發(fā)的名為Tangram的計算程序，將smFISH基因表達(dá)模式與他們通過對樣本細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞RNA測序獲得的整個基因組圖譜聯(lián)系起來。
然后，研究人員將這兩個計算模型結(jié)合成一個他們稱之為Raman2RNA的計算模型，該模型可以根據(jù)細(xì)胞的拉曼圖像預(yù)測單個細(xì)胞的整個基因組圖譜。
跟蹤細(xì)胞分化
研究人員通過跟蹤小鼠胚胎干細(xì)胞分化成不同細(xì)胞類型的過程來測試他們的Raman2RNA算法。他們連續(xù)三天每天四次拍攝細(xì)胞的拉曼圖像，并使用他們的計算模型預(yù)測每個細(xì)胞相應(yīng)的RNA表達(dá)譜，他們通過將其與RNA測序測量結(jié)果進(jìn)行比較來證實(shí)這一點(diǎn)。
利用這種方法，研究人員能夠觀察到單個細(xì)胞從胚胎干細(xì)胞分化為更成熟的細(xì)胞類型時發(fā)生的轉(zhuǎn)變。他們還表明，在兩周的時間里，他們可以追蹤小鼠成纖維細(xì)胞被重新編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞時發(fā)生的基因組變化。
“這是一個證明，光學(xué)成像提供了額外的信息，使你可以直接跟蹤細(xì)胞的譜系和它們的轉(zhuǎn)錄進(jìn)化，”So說。
研究人員現(xiàn)在計劃使用這項(xiàng)技術(shù)來研究其他隨時間變化的細(xì)胞群，比如衰老細(xì)胞和癌細(xì)胞。他們現(xiàn)在正在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)細(xì)胞，但在未來，他們希望這種方法可以發(fā)展成為一種潛在的診斷方法，用于患者。
“拉曼的最大優(yōu)勢之一是它是一種無標(biāo)簽的方法。這還有很長的路要走，但人類翻譯是有潛力的，這是使用現(xiàn)有的侵入性技術(shù)來測量基因組圖譜無法完成的，”麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家、該研究的作者之一Jeon Woong Kang說。
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