Cell：定量检测基因表达跨代遗传性

来源：BioArt

由高通量技术获得的全转录组基因表达谱是在分子层面定义细胞状态的根本指标之一。通常，基因表达的测量同时受到空间和时间尺度的限制，前者表现在被测量目标一般为细胞集合而非单个细胞，而后者则表现为以单时间点的瞬时稳态推测系统的全貌。尽管单细胞测序技术的兴起在很大程度上突破了基因表达测量的空间限制，但时间尺度上的局限性仍受困于通量低、实验材料稀缺及实验步骤繁琐等因素而难以突破。进一步地，考虑到不同生物过程的时间尺度具有极大的差异，完整而统一地对基因表达的动态特征进行考察就显得更为复杂。

不过，对于某些基因表达动态特征相关的科学假设的验证，却并不需要直接观测某一基因在时间尺度上的完整表达路径。相反，仅仅依据巧妙的统计规律，对具有共同起始状态的多个细胞集群在一定时间内动态演化后的终末状态的分布特征进行描绘，就能够很好地推知基因表达遵循的变化逻辑。在这一点上，对基因表达的跨代（细胞分裂）遗传稳定性的研究就是一个很好的例子。

2020年7月30日，来自宾夕法尼亚大学的Arjun Raj课题组在Cell上发表了题为Memory Sequencing Reveals Heritable Single-Cell Gene Expression Programs Associated with Distinct Cellular Behaviors的文章，揭示了普遍存在于细胞中的具有可稳定遗传的表达模式的基因，以及这些基因在癌细胞产生化疗抗性中的关键角色。

在该研究中，作者试图回答的根本问题是，在不发生显著状态转变（例如分化、癌变、凋亡等）的前提下，一个基因的表达水平能够在多大程度上保持分裂前后的稳定性。在敏锐地捕捉到这一问题与1943年由Luria和Delbruck完成的经典遗传学实验之间的内在联系后（在L-D实验中，研究人员通过统计计算经由均质细菌群体分离而来的单克隆在含有噬菌体的培养基中生长后，产生的抗噬菌体克隆数目所形成的分布符合二项分布还是长尾分布， 来检验抗噬菌体突变体的出现是由于在培养时对噬菌体做出反应而产生，还是在培养前就已经发生了基因突变），作者以其策略为范本，设计了MemorySeq实验来定量化测度基因表达的跨代遗传稳定性。

在该实验中，作者从均质的黑色素瘤细胞系中挑取了48个单克隆，独立扩增至100000个子代细胞后，进行RNA-seq以测量全转录组的基因表达水平。这一实验基于的逻辑是：对于表达模式遗传稳定性低的基因来说，其激活与关闭的速率较细胞分裂速率快得多，很难将自身表达模式传递给子代细胞，因而不会导致上述某一个克隆中富集大量高表达该基因的细胞，最终表现为48个克隆中该基因的表达呈现为相对平均和稳定的分布。相反，如果某个基因的表达遗传性很强，则很容易导致高表达该基因的细胞的大部分子代细胞均携带其表达特征，而由于一个基因的激活和抑制在48个克隆中是随机的，最终就会表现为少数克隆中这一基因表达极高，而大部分克隆中其表达则较低。

基于MemorySeq实验，作者找到了200多个跨克隆表达差异显著高于背景值的基因，即在该细胞系中具有超越细胞分裂时间尺度的表达模式稳定遗传的基因。为了进一步验证这些基因的稳定遗传性，作者以基因NGFR为例，利用时差显微镜观测了来源于同一单克隆的不同子代细胞中的NGFR蛋白在基因偶然激活后的表达模式的持续性，发现其的确稳定跨越了多次细胞分裂。此外，作者还基于以空间接近程度推测遗传先后顺序的逻辑，设计了在培养皿中稀疏分布细胞单克隆，让其充分增殖后利用RNA原位杂交技术测量一组基因的空间表达分布的实验。结果发现，由MemorySeq识别的具有强遗传性的基因的确具有显著更好的局限性分布特征。相反，表达模式不稳定的基因则更倾向于散布于整个空间范围内。

最后，作者基于前期研究结果及逻辑推理，认为表达模式的稳定遗传可能代表了细胞群体演化出具有全新状态的亚群的一种重要途径，因此具有这一特征的基因很可能在癌细胞产生耐药性的过程中扮演关键角色。基于此，作者利用MemorySeq筛选了一种乳腺癌细胞系中潜在的稳定遗传基因，在找到其中一个靶标CA9后，将细胞群体基于该基因的表达水平进行了分选，并验证了CA9高表达在癌细胞形成抗药性中的显著效应。

总之，这一研究基于精妙的实验设计和丰富的个例验证，揭示了一项基本而关键的生物学过程，即基因表达跨越细胞分裂代际的稳定遗传性，并且与癌细胞耐药性的产生这一具体生物学应用场景进行了充分联系。尽管该研究已经展现了这一生物现象的普遍科学意义和极高的应用价值，但其产生和维持的分子机制，以及在更广阔的生物环境中的复现性，还尚不明确，因此也是未来重要的探索方向。