Cell丨利用工程化病毒样颗粒实现活细胞转录组动态解析——不破坏细胞，追踪同一细胞全转录组变化

撰文 | 染色体

基因表达的动态变化贯穿细胞与组织的发育、稳态维持、应激响应及疾病发生。RNA测序（RNA-seq）能够从全局层面解析细胞的基因表达谱，已成为现代生物医学研究的重要工具。然而，传统RNA-seq通常需要裂解细胞提取RNA，意味着每一个时间点的检测都会破坏样本，因此无法在同一细胞群体中连续追踪转录状态的变化，也难以对位于复杂组织结构或封闭培养体系中的细胞进行重复采样【1】。

近日，来自 麻省理工学院与哈佛大学 Broad 研究所 的Paul C. Blainey团队在Cell期刊发表题为Live-cell transcriptomics with engineered virus-like particles（ 利用工程化病毒样颗粒进行活细胞转录组学分析 ）的文章。研究人员构建了一种“细胞自我报告（cellular self-reporting）”系统，使活细胞利用病毒样颗粒（VLPs）主动包装并输出自身RNA。通过连续采集培养基中的VLP并进行RNA-seq，可以在不破坏细胞的情况下，纵向追踪同一细胞群体的全转录组变化。该平台进一步被应用于炎症刺激、干细胞分化以及复杂三维共培养体系，为解析复杂生物系统中的动态基因表达程序提供了全新的技术手段。

虽然荧光成像、体内转录组分析（TIVA）及分子记录等技术为动态研究提供了新的思路，但仍存在检测靶标有限、通量不足或依赖终点检测等局限【2】。因此，如何在不破坏细胞的前提下，实现活细胞全转录组的连续、纵向监测，仍是动态细胞生物学研究亟待解决的问题。

VLP实现活细胞“自我报告”

为突破传统转录组检测的破坏性，研究人员利用莫洛尼鼠白血病病毒（MMLV）的结构蛋白Gag，构建能够自主组装的VLP系统，使细胞RNA被包装并释放至培养基中【3】。实验显示，完整Gag可形成约160 nm的VLP，而GagΔMA无法形成有效VLP。VLP能够稳定携带细胞RNA，GAPDH等转录本可在培养基中检测并抵抗RNase降解。RNA-seq显示，细胞裂解液中检测到的12,931个基因中，有11,598个同样能够在培养基中检测到，VLP与传统RNA-seq结果高度相关（Pearson r=0.797）。不过，线粒体RNA明显减少，提示RNA亚细胞定位会影响包装效率；RNA序列特征、GC含量及潜在二级结构也会造成一定包装偏倚。进一步在HEK293T、HT1080、iPSC及原代细胞中验证发现，Gag可持续“报告”细胞转录状态，对细胞形态、生长及整体转录组影响较小。更重要的是，VLP自我报告能够准确区分不同细胞类型，显示出较好的普适性。

VLP实现活细胞转录动态追踪

与传统RNA-seq的终点检测不同，VLP自我报告能够通过连续采样记录细胞转录变化。研究发现，仅需3 h即可获得足以进行细胞类型分类的转录信号；随着VLP产生时间延长，检测基因数量及与细胞转录组的一致性提高，并在约48 h后趋于稳定。研究人员进一步利用Gag表达的iPSC建立神经分化模型，连续4天采集同一细胞群体的培养基进行RNA-seq。VLP样本与细胞裂解样本具有良好一致性，共有772个差异表达基因能够被两种方法同时识别。分化过程中，干性基因DNMT3B、LIN28A、NANOG和PRDM14下降，而神经元相关基因MAP2、RBFOX3和TUBB3升高，VLP连续采样准确捕捉了这一动态过程。该技术同样适用于三维体系。在TNF-α刺激的HUVEC细胞球体中，仅通过连续采集培养基即可在14 h内捕捉NF-κB等炎症相关转录变化；与二维培养相比，三维球体还出现113个特异性差异基因，表明VLP能够解析复杂空间结构中的动态转录响应。

VLP实现多细胞动态转录组

研究人员进一步对VLP进行工程化，使其具备细胞类型特异性识别和RNA选择性包装能力。通过在VLP表面加入FLAG、HA等表位标签，可分别富集不同细胞来源的VLP，从而在共培养体系中获得细胞类型特异性转录组。此外，将Gag与RNA结合蛋白（RBP）融合，可进一步调节RNA包装偏好。例如，Gag-MCP能够富集带有MS2结构的特定转录本，提高CROP-seq sgRNA检测能力；Gag-eIF4E则通过识别成熟mRNA的5′ m7G帽结构，偏向包装蛋白编码mRNA。相比野生型Gag，Gag-eIF4E检测基因数量增加约1.47倍，并提高了与细胞裂解液转录组的一致性。最终，研究人员将Gag-eIF4E应用于微生理系统（MPS），连续7天监测不同基质环境下HUVEC血管生成。传统RNA-seq需要破坏样本，而VLP只需每天采集灌流培养基即可获得连续转录组数据。研究识别出1,472个共同动态基因和232个基质依赖性动态基因，并发现TGF-β、Wnt/β-catenin、PI3K/AKT/mTOR、Notch、ROS和OxPhos等通路呈现不同的时序变化，揭示了微环境驱动内皮细胞血管生成和成熟的动态转录程序。

综上所述，该研究建立“细胞自我报告”技术，利用VLPs从活细胞中包装并输出RNA，实现非破坏性全转录组分析。通过反复采样培养基，可连续追踪同一细胞群的转录状态变化，并进一步解析封闭微生理系统中内皮细胞血管生成的动态基因表达过程。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.005

制版人： 十一

参考文献

[ 1] Chen, W., Guillaume-Gentil, O., Rainer, P.Y., G ä belein, C.G., Saelens, W., Gardeux, V., Klaeger, A., Dainese, R., Zachara, M., Zambelli, T., et al. (2022). Live-seq enables temporal transcriptomic recording of single cells.Nature608, 733-740. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05046-9.

[2] Funk, L., Su, K.-C., Ly, J., Feldman, D., Singh, A., Moodie, B., Blainey, P.C., and Cheeseman, I.M. (2022). The phenotypic landscape of essential human genes.Cell185, 4634-4653.e22. https://doi.org/10.1016/j.cell. 2022.10.017.

[3] Sherer, N.M., Lehmann, M.J., Jimenez-Soto, L.F., Ingmundson, A., Horner, S.M., Cicchetti, G., Allen, P.G., Pypaert, M., Cunningham, J.M., and Mothes, W. (2003). Visualization of Retroviral Replication in Living Cells Reveals Budding into Multivesicular Bodies.Traffic4 , 785-801. https://doi.org/10.1034/j.1600-0854.2003.00135.x.

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