单细胞扰动响应评分：解锁细胞奥秘的新钥匙

为解决现有方法难以准确量化和解释单细胞异质性响应的问题，儿童国家医院的研究人员开展了关于单细胞扰动响应的研究，提出扰动响应评分（PS）方法。该方法能有效量化扰动响应、进行剂量分析等，为深入理解细胞行为提供了有力工具。

　　在生命科学的微观世界里，细胞就像一个个神秘的小宇宙，它们对各种扰动的响应蕴含着无数生命奥秘。从基因敲除这样的遗传扰动，到药物处理的化学扰动，细胞的反应千差万别，而这些差异背后的机制却一直难以捉摸。现有方法在探索这些奥秘时遭遇了重重困难，它们往往无法准确量化和解释单细胞层面的异质性响应，这就好比用一把钝刀去切割精细的物品，难以触及问题的核心。为了攻克这一难题，来自儿童国家医院（Children’s National Hospital）等多个机构的研究人员踏上了探索之旅，开展了关于单细胞扰动响应的深入研究，其成果具有重要的意义，为生命科学研究开辟了新的道路。

研究人员提出了一种名为扰动响应评分（perturbation-response score，PS）的创新方法。这一方法通过独特的计算框架，能够在单细胞水平上量化各种扰动响应，就像是为细胞的扰动反应打造了一把精准的 “尺子”。该研究成果发表于《Nature Cell Biology》杂志。

为了开展这项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。其中，单细胞 RNA 测序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq）技术发挥了重要作用，它能够对单个细胞的转录组进行全面分析，获取细胞在扰动后的基因表达变化信息。此外，CRISPR 技术也被广泛应用，如 Perturb-seq、CROP-seq 等基于 CRISPR 的技术，用于实现对基因的精准扰动。同时，研究人员还利用了计算生物学方法，通过建立数学模型来估计 PS 值，从而深入分析单细胞扰动响应。

下面来看具体的研究结果：

• PS 检测多样结果的能力：研究人员通过多种数据集对比 PS 与其他方法，如利用 scDesign3 生成模拟数据集，以及使用多个公开的基于 CRISPRi 的 Perturb-seq 数据集和 ECCITE-seq 数据集。结果显示，PS 在量化部分基因扰动方面表现卓越，能更准确地估计扰动效率，在预测 PD-L1 表达等方面也优于现有方法，表明 PS 能有效检测多样的扰动结果12。
• 分析扰动的剂量依赖性效应：由于 PS 对部分基因扰动的量化高度准确，研究人员进一步探究其在剂量分析中的应用。通过分析 ECCITE-seq 数据，研究人员发现 PS 可用于分析剂量 - 响应扰动反应。研究人员还对扰动效率和响应强度的关系进行研究，利用非线性 Hill 方程拟合数据，识别出 “缓冲（buffered）” 和 “敏感（sensitive）” 基因，这有助于深入理解基因功能和细胞对扰动的响应机制34。
• PS 揭示潜伏 HIV 和 T 细胞激活中的因素：研究人员使用建立的 Jurkat HIV 细胞模型进行 Perturb-seq 实验，发现 BRD4 和 CCNT1 基因的 PS 值在不同细胞状态下呈现出特异性分布，且与 HIV-GFP 表达相关。此外，PS 还能识别调节连续 T 细胞状态的因子，如 CD247 和 PDCD1，这对于理解 T 细胞激活和 HIV 潜伏的机制具有重要意义56。
• PS 揭示胰腺分化中的基因功能：研究人员利用体外人胚胎干细胞（hES）胰腺分化系统，对敲除不同基因的细胞进行研究。结果显示，HHEX 和 FOXA1 基因的 PS 值与细胞分化阶段相关，CCDC6 基因在不同细胞类型中具有不同功能，影响胰腺和肝脏细胞命运决定，这为研究胰腺分化机制提供了新的视角78。

在研究结论和讨论部分，PS 框架为研究单细胞扰动响应提供了强大的工具。它不仅能够量化部分基因扰动，进行详细的剂量分析，还能揭示影响扰动响应的细胞内在和外在因素。这使得 PS 在多个领域展现出巨大的应用潜力，如 T 细胞激活、HIV 潜伏、胰腺分化等研究中。同时，PS 也为药物靶点的识别提供了便利，有助于优化药物设计。然而，研究人员也指出了 PS 的局限性，例如在估计扰动效应大小时可能存在的偏差，以及单细胞测序中的 “生存偏差” 问题。但总体而言，PS 的出现为生命科学研究带来了新的思路和方法，为深入理解细胞行为和疾病机制奠定了坚实的基础，有望推动相关领域的进一步发展。