单细胞解析基因型 - 表型图谱：开启生命奥秘新征程

为解析转录异质性的分子机制，研究人员构建酵母敲除文库，揭示细胞状态调控机制，意义重大。

　　在生命的微观世界里，细胞就像一个个神秘的小宇宙，看似相似却又有着千差万别的行为和命运。细胞的异质性普遍存在，它不仅决定着细胞的命运，还与肿瘤的侵袭性、微生物的耐药性等诸多全球健康挑战息息相关。然而，连接基因型与表型异质性的潜在分子机制和遗传基础，一直是生命科学领域的核心难题。就好比我们知道锁和钥匙的存在，但却始终找不到那把能打开连接两者奥秘之门的钥匙。为了攻克这一难题，来自西班牙庞培法布拉大学（Universitat Pompeu Fabra）和巴塞罗那生物医学研究所（Institute for Research in Biomedicine, IRB Barcelona） 等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解细胞的奥秘带来了新的曙光。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：构建 RNA 条形码标记的酵母敲除文库，利用 Perturb - seq 技术在单细胞水平对基因进行扰动，并结合单细胞 RNA 测序（scRNA - seq）获取转录组数据，同时运用生物信息学方法对数据进行分析和解读 。

研究结果如下：

• 重新设计酵母敲除文库：研究人员重新设计了酵母敲除文库（YKOC），构建了带有 RNA 可追溯缺失的突变体库。通过将经典 YKOC 进行改造，生成了适合大规模单细胞扰动研究的稳定克隆和基因型条形码集合。利用该文库，在控制和应激条件下生成了两个转录组范围的单细胞图谱，涵盖了超过 3500 个突变体，覆盖了生物体 75% 的非必需基因。对突变体转录组与野生型的比较分析表明，在控制条件下，大多数突变体表现出基因上调的差异表达模式，而在应激条件下，这种趋势减弱，突变体的基因表达既有上调也有下调。同时，研究人员通过去除细胞周期和核糖体基因的影响，利用 UMAP 嵌入和 Louvain 算法分析发现，应激条件是细胞聚类的主要因素，且细胞状态对功能缺失突变具有较强的抗性。
• 细胞群体中的基因表达状态：研究人员对数据集中的细胞进行聚类分析，发现细胞在控制和应激条件下分别分布在 20 种和 18 种状态中。在两种条件下，细胞主要组织成一个定义细胞状态连续体的中央簇。通过提取状态标记基因并分析其功能，发现这些标记基因在不同状态间有共享，表明细胞状态是连续的。在控制条件下，细胞状态涉及多种功能，如细胞形态发生、代谢过程和蛋白质稳态等。同时，研究还发现了与衰老相关的细胞状态，通过实验验证了这些状态的特征与衰老表型相关。
• 转录组映射揭示核心和响应性细胞状态：研究人员评估了不同条件下细胞状态的保守性，将细胞状态分为核心状态和响应性状态。核心状态的基因表达模式在两种条件下相互代表，而响应性状态则根据条件进行差异调节。研究发现，大多数核心状态在应激条件下有对应状态，表明核心基因表达簇在不同条件下具有较高的保守性。而响应性状态的出现，要么是因为细胞状态标记基因的表达在应激下发生改变，失去特异性，要么是因为在适应过程中出现了新的应激调节状态。此外，研究人员通过实验评估了细胞状态对适应性的影响，发现应激响应程序在正常条件下会降低细胞适应性，但在应激条件下则表现出更好的适应性。
• 单细胞基因型 - 表型分析突出酵母细胞状态的调节因子：研究人员分析了特定基因型在定义的细胞状态中的富集或消耗情况，发现约 10% 的突变体在特定细胞状态中显著富集或耗尽。这些细胞状态偏向的突变体倾向于在单一状态中富集或耗尽，且这种模式与克隆无关。例如，线粒体功能和内体分选相关的突变体在与衰老相关的细胞状态中积累，表现出铁依赖性的早衰转录组特征。通过对突变体的研究，还发现了一些与基因功能相关的线索，如在控制条件下，与磷酸盐代谢相关的细胞状态中，发现了一些参与磷酸盐代谢调节的基因。此外，研究人员评估了细胞状态偏向突变体的适应性，发现这些突变体的适应性分数较低，表明细胞状态的多样性是健康群体的定义属性。
• 不同细胞功能驱动控制和应激条件下的转录异质性：研究人员利用 Perturb - seq 的单细胞分辨率，通过计算杠杆分数来评估转录异质性的程度，发现大多数突变体不会导致转录异质性的变化，但鉴定出了更多的转录异质性负调节因子。对负调节因子的功能分析表明，它们在控制和应激条件下涉及多种细胞功能，且两种条件下的负调节因子功能有一定重叠，但基因身份重叠较少。此外，研究人员还发现转录异质性影响细胞适应性，过度的转录异质性会使细胞对压力更敏感。

研究结论和讨论部分指出，该研究构建的酵母单细胞基因型 - 转录组图谱提供了高分辨率的转录数据，有助于深入理解基因功能和细胞状态的调控机制。研究中发现的核心转录状态在不同条件下具有保守性，且细胞状态对遗传和环境扰动具有较强的抗性。此外，通过对突变体的分析，揭示了转录异质性的调节因子和细胞状态的调控网络。该研究成果为进一步研究细胞行为提供了重要的参考资源，有助于推动生命科学领域在细胞命运决定、疾病发生机制等方面的研究进展，为未来的治疗策略开发提供理论基础。