Science|单细胞2.0时代来了：Perturb-seq在体应用首秀！

Cell首发：单细胞 × CRISPR = Perturb-seq，机制研究神器！

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https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz6063

一、背景

自闭症谱系障碍（ASD）和神经发育迟缓（ND）， 这俩病一直让神经科学家“又爱又恨”。

因为它们的遗传图谱太复杂了—— 几百个基因、不同突变、不同脑区、不同发育阶段， 每一个都像“隐藏副本”，你永远猜不到谁才是主线。

更麻烦的是： 大多数风险基因，动物模型都没做。 要一个个敲小鼠、做行为学、测转录组？ ——做完博士都不够用。

于是，MIT + 哈佛的黄金三人组出手了： 张锋（Feng Zhang）+ Aviv Regev + Paola Arlotta。 他们发明了一种堪称“神操作”的技术👇 👉 In vivo Perturb-seq。

一句话：

在小鼠脑子里做高通量CRISPR敲基因 + 单细胞测序， 一次搞定35个ASD风险基因的功能验证。

Science 当年刊出后，全场惊呼： “这不就是功能基因组学的未来吗？”

二、这项技术有多炸裂？先看原理！

先别怕名词，下面用“生信通俗体”解释👇

🔹 Step 1：设计目标库

研究团队挑了35个ASD/ND风险基因， 每个基因都配了若干条 sgRNA（CRISPR靶向序列）。

🔹 Step 2：体内扰动

把带 sgRNA 的 CRISPR 病毒打进发育中的小鼠大脑， （准确说是子宫内电转入胚胎大脑皮层） → 每个细胞被“打标签”：你被敲了哪个基因。

🔹 Step 3：出生后单细胞测序

等小鼠出生，取出脑组织做单细胞RNA-seq。 因为每个细胞都带“扰动条码”， 所以就能知道： 哪个基因被敲 → 哪些转录通路变 → 哪类细胞受影响。

一句话：在小鼠体内做 Perturb-seq。

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三、研究目的：在体评估 ASD 风险基因功能

核心问题：这些高异质性基因到底在脑里干啥？ 它们在哪些细胞类型里重要？ 在发育哪个阶段“出问题”？

传统做法：一个基因一个模型。 现在：一次打包35个。

四、研究流程与实验设计

1️⃣ 文库设计 35个ASD/ND基因 → sgRNA文库（CRISPRko形式）

2️⃣ 体内转染 CRISPR-Cas9系统导入胚胎脑皮层（电转法）

3️⃣ 单细胞测序 出生后第7天（P7），取出BFP阳性细胞做scRNA-seq。 BFP阳性 = 成功导入的扰动细胞。

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五、结果：脑细胞全景扰动地图

单细胞测序 + Louvain聚类分析后， 研究者把细胞分成5类👇

结论很意外：

多数ASD风险基因的敲除不会大幅改变细胞比例， 但会重塑这些细胞内部的基因表达网络。

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六、重点发现：Chd8 与 Gatad2b 让少突胶质细胞“发育停滞”

研究团队发现👇 敲掉 Chd8 和 Gatad2b → 少突胶质细胞的 ODC1 模块表达显著下降。

而这个 ODC1 模块，正是 少突胶质前体 → 成熟少突胶质细胞 转变的关键程序。

也就是说：

这俩ASD基因让髓鞘细胞“长不大”。

（这为ASD患者中“白质发育异常”提供了机制解释！）

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七、跨物种验证：小鼠数据竟然与人脑吻合！

研究者把小鼠 Perturb-seq 数据 与人类 ASD 患者死后脑的 snRNA-seq 数据对比。

结果惊人一致👇

• 兴奋性神经元
• 抑制性神经元
• 少突胶质细胞

这三种类型的表达模块变化方向几乎完全吻合。

👉 说明小鼠体内的 Perturb-seq 实验 真能重现人类神经发育异常的核心通路。

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八、意义与展望：功能基因组学的加速器

这项工作意义非常大👇

1️⃣ 验证了 Perturb-seq 可以“搬到体内”用。 以前都在细胞系里搞，这次直接在大脑。

2️⃣ 能一次看几十个基因的功能差异。 解决了神经发育疾病那种“多基因+异质性”的痛点。

3️⃣ 给AI模型提供了最珍贵的数据集。 以后做ASD基因功能预测，有实锤训练数据了。

一句话总结👇

“In vivo Perturb-seq，让基因功能研究从‘一口一个’变成‘一锅炖完’。”

📌 我们要做的，不只是看“基因在哪表达”， 而是看“表达改变了谁的命运”。

Perturb-seq 的威力就在于👇

• 不再停留在相关性，而是走向因果；
• 不止能说“这个基因重要”，还能说“它在谁身上重要”；
• 不只看静态，而是捕捉发育过程的动态轨迹。

参考：Perturb-seq Dixit et al., Cell, 2016Regev & Zhang labs, Science, 2020Liu Qi lab, Nat Methods, 2024 (scPerturb)Liu Qi lab, Nat Comput Sci, 2024 (STAMP)Science 2020《In vivo Perturb-seq reveals neuronal and glial abnormalities associated with autism risk genes》