我們身體里的細(xì)胞其實(shí)就像一座城市，也需要天線來(lái)接收信號(hào)和傳遞信息。這個(gè)天線就是纖毛，纖毛是一種生長(zhǎng)在細(xì)胞表面的微小結(jié)構(gòu)。當(dāng)纖毛出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，就會(huì)引發(fā)一系列的疾病比如肥胖、智力障礙和心臟病等。

但是，由于纖毛的尺寸極其微小，觀測(cè)與研究難度極高，相關(guān)領(lǐng)域探索一直受到限制。

近日，美國(guó)耶魯大學(xué)孫京波博士和所在團(tuán)隊(duì)打造出一種基因剪刀配合顯微鏡的平臺(tái)，能夠同時(shí)觀察成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞里的纖毛，并能夠找出控制它們生長(zhǎng)的基因。

經(jīng)過(guò)此，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)對(duì)于纖毛生長(zhǎng)至關(guān)重要的新基因，也為探索所有細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)打開了一扇嶄新的大門，有助于幫助人類更快地找到一些疑難雜癥的病因和治療方法。

（來(lái)源：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.10.015）

傳統(tǒng)的基因研究方法就像在黑暗中探索，人們使用基因剪刀也就是CRISPR技術(shù)一次敲除一個(gè)基因，看看細(xì)胞會(huì)發(fā)生什么變換，但這非常耗時(shí)。目前基于CRISPR技術(shù)的混合篩選法，可以同時(shí)敲除成千上萬(wàn)個(gè)基因，然后通過(guò)細(xì)胞的生長(zhǎng)速度或者熒光報(bào)告基因結(jié)合流式細(xì)胞儀來(lái)篩選結(jié)果。但是，這個(gè)方法有個(gè)大問(wèn)題：它看不清楚細(xì)胞內(nèi)部的精細(xì)變化，比如看不清楚纖毛的長(zhǎng)短以及有沒(méi)有特定蛋白質(zhì)等。

孫京波表示，此前已有一些基于成像的CRISPR篩選方法，大致分為兩類：一類是在顯微鏡上直接讀取單細(xì)胞的基因型信息，能提供高分辨的多維度表型分析，但對(duì)多數(shù)實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)應(yīng)用門檻較高；另一類是將顯微鏡下觀察到的表型轉(zhuǎn)化為流式細(xì)胞儀可分選的熒光信號(hào)。

“不過(guò)，后一種方法當(dāng)時(shí)尚不能應(yīng)用于經(jīng)過(guò)化學(xué)固定處理的細(xì)胞，這限制了其使用范圍。我們的目標(biāo)，正是開發(fā)一個(gè)易于操作、同時(shí)能兼容固定細(xì)胞成像的篩選平臺(tái)，并以此深入研究我們感興趣的初級(jí)纖毛相關(guān)表型�！彼嬖VDeepTech。

圖 | 孫京波（來(lái)源：孫京波）

他和所在團(tuán)隊(duì)想出來(lái)的辦法是：為何不把基因剪刀和能夠看清楚細(xì)節(jié)的熒光顯微鏡結(jié)合起來(lái)？但是，這個(gè)結(jié)合所面臨的巨大挑戰(zhàn)是：首先，需要針對(duì)數(shù)百萬(wàn)個(gè)經(jīng)過(guò)基因改造的細(xì)胞進(jìn)行快速拍照和快速分析。其次，必須在顯微鏡下精確辨認(rèn)出到底哪個(gè)細(xì)胞表現(xiàn)出了所關(guān)注的表型，以及追溯是哪個(gè)基因被敲除了所導(dǎo)致的。

為此，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)方案：

第一步是構(gòu)建表達(dá)熒光蛋白標(biāo)記的細(xì)胞系。他們首先改造了人類視網(wǎng)膜細(xì)胞，給其裝上了幾種熒光標(biāo)記，在合適激發(fā)光下，一個(gè)可以讓纖毛發(fā)出綠光，一個(gè)可以讓細(xì)胞中心體也就是纖毛的底座發(fā)出深紅色光，一個(gè)是特殊的光開關(guān)蛋白被一道特定的近紫外光 (395 nm) 照射之后在合適激發(fā)光下能夠持久地發(fā)出紅光。

第二步是自動(dòng)拍照與AI識(shí)別。他們將敲除了不同基因的細(xì)胞混合在一起培養(yǎng)，然后使用全自動(dòng)顯微鏡進(jìn)行大規(guī)模拍照。AI軟件可以迅速瀏覽海量細(xì)胞的照片，識(shí)別出來(lái)到底哪些細(xì)胞長(zhǎng)出了發(fā)綠光的纖毛，以及哪些沒(méi)有長(zhǎng)。

第三步也是最關(guān)鍵的一步即點(diǎn)亮目標(biāo)細(xì)胞。顯微鏡連接著一個(gè)數(shù)字微鏡設(shè)備，它可以像投影儀一樣，將一道精細(xì)的激光準(zhǔn)確地投射到被AI判定為異常的細(xì)胞上。這些細(xì)胞內(nèi)的光開關(guān)蛋白被激活之后，在特定激發(fā)光下開始發(fā)出醒目的紅光。

第四步是分揀與解碼，所有的細(xì)胞會(huì)被收集起來(lái)，通過(guò)一種名為流式細(xì)胞儀的設(shè)備進(jìn)行分揀。這臺(tái)儀器能夠根據(jù)紅光的強(qiáng)弱，把被點(diǎn)亮的異常細(xì)胞單獨(dú)分揀出來(lái)。然后，該團(tuán)隊(duì)從這些細(xì)胞中提取DNA，通過(guò)測(cè)序技術(shù)就能推斷是哪些基因被敲除導(dǎo)致了纖毛異常。

（來(lái)源：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.10.015）

此外，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為TMEM218的基因，它在人類細(xì)胞系篩選中是強(qiáng)命中基因，但在小鼠細(xì)胞系的Hedgehog篩選中卻不是。后續(xù)驗(yàn)證表明，敲除該基因在人類細(xì)胞中嚴(yán)重?fù)p害纖毛發(fā)生，但在幾種小鼠細(xì)胞系中影響較弱。這提示它可能是一個(gè)具有物種特異性的調(diào)控因子。

最重要的是，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的、至關(guān)重要的纖毛調(diào)控基因SMIM27（根據(jù)其定位及功能重新命名為TZMP1-Transition Zone Micro-Protein 1）。它編碼一個(gè)僅55個(gè)氨基酸的微蛋白。在所有成像篩選中，它都是顯著的命中基因。敲除該基因后，纖毛形成率從正常情況下的約80%急劇下降到5%以下，表型非常強(qiáng)烈。重新表達(dá)該基因則可以恢復(fù)正常。

（來(lái)源：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.10.015）

該團(tuán)隊(duì)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SMIM27蛋白定位在纖毛的過(guò)渡區(qū)，一個(gè)控制物質(zhì)進(jìn)出纖毛的閘門區(qū)域，并與已知的MKS復(fù)合體蛋白相互作用，表明它可能是該復(fù)合體的一個(gè)新成員。

該團(tuán)隊(duì)還與合作伙伴在非洲爪蟾胚胎中進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)SMIM27不僅影響初級(jí)纖毛，也影響運(yùn)動(dòng)纖毛的形成與擺動(dòng)功能，并會(huì)導(dǎo)致心臟左右不對(duì)稱發(fā)育等缺陷，證明了其在動(dòng)物體內(nèi)的關(guān)鍵作用。

參考資料：

相關(guān)論文https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.10.015