基因劑量的變化在胚胎發(fā)育、疾病發(fā)生以及細(xì)胞命運(yùn)決定過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其系統(tǒng)化解析對(duì)于精準(zhǔn)理解生命過程至關(guān)重要。作為研究基因功能的核心策略，基因擾動(dòng)近年來與單細(xì)胞組學(xué)的結(jié)合，使研究者能夠在全基因組尺度上系統(tǒng)解析基因的功能，并為虛擬細(xì)胞等人工智能模型的構(gòu)建提供了寶貴的數(shù)據(jù)支撐。然而，現(xiàn)有的大規(guī)模基因擾動(dòng)技術(shù)大多將基因功能簡(jiǎn)化為“開/關(guān)”的二元模式，難以捕捉劑量依賴的連續(xù)效應(yīng)。這種局限不僅削弱了對(duì)基因功能的全面理解，也可能在復(fù)雜生物學(xué)問題中引入不全面甚至錯(cuò)誤的結(jié)論。
2025年10月3日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所陳萬澤課題組與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）Bart Deplancke課題組合作，在Nature Genetics發(fā)表了題為"Dissecting the impact of transcription factor dose on cell reprogramming heterogeneity using scTF-seq"的研究成果。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了scTF-seq技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了劑量敏感的大規(guī)?；驍_動(dòng)單細(xì)胞組學(xué)，并以轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的細(xì)胞重編程為模型，系統(tǒng)揭示了基因劑量在細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控中未被充分認(rèn)識(shí)的多層次、非線性復(fù)雜效應(yīng)。
為什么scTF-seq可以實(shí)現(xiàn)大劑量范圍的基因擾動(dòng)并定量？
巧妙利用Tet-on啟動(dòng)子內(nèi)在噪音和逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組不同整合位置表達(dá)活性差異，進(jìn)一步結(jié)合高滴度病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)的拷貝數(shù)差異（有別于傳統(tǒng)大規(guī)模擾動(dòng)中常用的低滴度方式）。這種設(shè)計(jì)使得即使單一Doxycycline濃度下，轉(zhuǎn)基因的劑量也可以達(dá)到平均60倍，最高1000倍的極寬劑量分布。并結(jié)合3’scRNA-seq兼容的條形碼，定量解析轉(zhuǎn)錄因子劑量與轉(zhuǎn)錄組變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而首次在大規(guī)?；驍_動(dòng)背景下實(shí)現(xiàn)了“劑量敏感”的功能解析。
單基因的復(fù)雜非線性效應(yīng)
scTF-seq揭示了轉(zhuǎn)錄因子劑量并非簡(jiǎn)單線性地影響細(xì)胞命運(yùn)。例如，KLF4在不同劑量下分別驅(qū)動(dòng)與骨骼形成、細(xì)胞結(jié)構(gòu)組裝或上皮發(fā)育相關(guān)的不同基因表達(dá)模式，表現(xiàn)出高度非線性的調(diào)控特征。這些復(fù)雜劑量效應(yīng)為解釋細(xì)胞重編程的異質(zhì)性提供了重要線索。
基因與其他細(xì)胞過程的互作
研究還發(fā)現(xiàn)，基因劑量效應(yīng)與細(xì)胞周期等其他細(xì)胞過程密切相關(guān)。CEBPA和PPARG在高劑量下促進(jìn)細(xì)胞周期退出并推動(dòng)脂肪分化，而MYCN則突破常規(guī)，在細(xì)胞持續(xù)增殖的同時(shí)驅(qū)動(dòng)分化，但最終伴隨細(xì)胞死亡。這揭示了基因劑量、細(xì)胞周期與分化過程之間的精細(xì)耦合關(guān)系。
多基因互作的劑量敏感性
在組合擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，研究者發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)錄因子的相互作用不僅取決于基因組合本身，還強(qiáng)烈依賴于基因劑量。同一對(duì)轉(zhuǎn)錄因子組合在不同劑量下可表現(xiàn)為可逆轉(zhuǎn)的協(xié)同或拮抗作用，且這種效應(yīng)具有基因特異性，進(jìn)一步凸顯了基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的復(fù)雜性。
綜上，該研究表明，基因劑量不僅決定單個(gè)基因的功能，還塑造了基因與細(xì)胞過程的互作格局，以及多基因間的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。scTF-seq為系統(tǒng)性地解析這些劑量依賴效應(yīng)提供了新方法，產(chǎn)生的基因定量擾動(dòng)數(shù)據(jù)也為精準(zhǔn)細(xì)胞工程和虛擬細(xì)胞模型構(gòu)建提供了關(guān)鍵支撐。
該工作由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）合作完成，陳萬澤研究員和Bart Deplancke教授為共同通訊作者，劉王杰（博士生）、Wouter Saelens（博士后）和Pernille Rainer（博士生）為共同第一作者。該工作獲得了重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、深圳市醫(yī)學(xué)研究專項(xiàng)和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。
陳萬澤博士現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向是通過新技術(shù)的開發(fā)，理解細(xì)胞命運(yùn)決定機(jī)制并進(jìn)行改造和干預(yù)，得到國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等重要項(xiàng)目的支持，相關(guān)成果以通訊和第一作者身份在Nature,Nature Genetics,Nature Cell Biology等期刊發(fā)表，被Nature Biotechnology,Nature Methods，Nature Immunology等多個(gè)雜志專文評(píng)述和高亮報(bào)道。歡迎感興趣的博士后、博士生和研究助理加入！
文章上線截圖，原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-025-02343-7
圖1:scTF-seq的原理圖示
圖2:?兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子之間協(xié)同-拮抗效應(yīng)的劑量可逆性
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