北京
我们身体里的细胞其实就像一座城市，也需要天线来接收信号和传递信息。这个天线就是纤毛，纤毛是一种生长在细胞表面的微小结构。当纤毛出现问题的时候，就会引发一系列的疾病比如肥胖、智力障碍和心脏病等。
但是，由于纤毛的尺寸极其微小，观测与研究难度极高，相关领域探索一直受到限制。
近日，美国耶鲁大学孙京波博士和所在团队打造出一种基因剪刀配合显微镜的平台，能够同时观察成千上万个细胞里的纤毛，并能够找出控制它们生长的基因。
经过此，他们发现了一个对于纤毛生长至关重要的新基因，也为探索所有细胞的内部结构打开了一扇崭新的大门，有助于帮助人类更快地找到一些疑难杂症的病因和治疗方法。
传统的基因研究方法就像在黑暗中探索，人们使用基因剪刀也就是CRISPR技术一次敲除一个基因，看看细胞会发生什么变换，但这非常耗时。目前基于CRISPR技术的混合筛选法，可以同时敲除成千上万个基因，然后通过细胞的生长速度或者荧光报告基因结合流式细胞仪来筛选结果。但是，这个方法有个大问题：它看不清楚细胞内部的精细变化，比如看不清楚纤毛的长短以及有没有特定蛋白质等。
孙京波表示，此前已有一些基于成像的CRISPR筛选方法，大致分为两类：一类是在显微镜上直接读取单细胞的基因型信息，能提供高分辨的多维度表型分析，但对多数实验室来说应用门槛较高；另一类是将显微镜下观察到的表型转化为流式细胞仪可分选的荧光信号。
“不过，后一种方法当时尚不能应用于经过化学固定处理的细胞，这限制了其使用范围。我们的目标，正是开发一个易于操作、同时能兼容固定细胞成像的筛选平台，并以此深入研究我们感兴趣的初级纤毛相关表型。”他告诉DeepTech。
他和所在团队想出来的办法是：为何不把基因剪刀和能够看清楚细节的荧光显微镜结合起来？但是，这个结合所面临的巨大挑战是：首先，需要针对数百万个经过基因改造的细胞进行快速拍照和快速分析。其次，必须在显微镜下精确辨认出到底哪个细胞表现出了所关注的表型，以及追溯是哪个基因被敲除了所导致的。
为此，该团队设计了一个方案：
第一步是构建表达荧光蛋白标记的细胞系。他们首先改造了人类视网膜细胞，给其装上了几种荧光标记，在合适激发光下，一个可以让纤毛发出绿光，一个可以让细胞中心体也就是纤毛的底座发出深红色光，一个是特殊的光开关蛋白被一道特定的近紫外光 (395 nm) 照射之后在合适激发光下能够持久地发出红光。
第二步是自动拍照与AI识别。他们将敲除了不同基因的细胞混合在一起培养，然后使用全自动显微镜进行大规模拍照。AI软件可以迅速浏览海量细胞的照片，识别出来到底哪些细胞长出了发绿光的纤毛，以及哪些没有长。
第三步也是最关键的一步即点亮目标细胞。显微镜连接着一个数字微镜设备，它可以像投影仪一样，将一道精细的激光准确地投射到被AI判定为异常的细胞上。这些细胞内的光开关蛋白被激活之后，在特定激发光下开始发出醒目的红光。
第四步是分拣与解码，所有的细胞会被收集起来，通过一种名为流式细胞仪的设备进行分拣。这台仪器能够根据红光的强弱，把被点亮的异常细胞单独分拣出来。然后，该团队从这些细胞中提取DNA，通过测序技术就能推断是哪些基因被敲除导致了纤毛异常。
此外，该团队发现了一个名为TMEM218的基因，它在人类细胞系筛选中是强命中基因，但在小鼠细胞系的Hedgehog筛选中却不是。后续验证表明，敲除该基因在人类细胞中严重损害纤毛发生，但在几种小鼠细胞系中影响较弱。这提示它可能是一个具有物种特异性的调控因子。
最重要的是，该团队发现了一个全新的、至关重要的纤毛调控基因SMIM27（根据其定位及功能重新命名为TZMP1-Transition Zone Micro-Protein 1）。它编码一个仅55个氨基酸的微蛋白。在所有成像筛选中，它都是显著的命中基因。敲除该基因后，纤毛形成率从正常情况下的约80%急剧下降到5%以下，表型非常强烈。重新表达该基因则可以恢复正常。
该团队的进一步研究发现，SMIM27蛋白定位在纤毛的过渡区，一个控制物质进出纤毛的闸门区域，并与已知的MKS复合体蛋白相互作用，表明它可能是该复合体的一个新成员。
该团队还与合作伙伴在非洲爪蟾胚胎中进行了验证，发现SMIM27不仅影响初级纤毛，也影响运动纤毛的形成与摆动功能，并会导致心脏左右不对称发育等缺陷，证明了其在动物体内的关键作用。
参考资料：
相关论文https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.10.015
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