RNA分析技术发现细胞的微小差异产生的深远影响

Alex Shalek的单细胞RNA分析技术可以帮助剖析全球复杂疾病的细胞基础。

　　

在一个特定的组织或器官中，细胞可能看起来非常相似，甚至完全相同。但在分子水平上，这些细胞可能有微小的差异，导致它们的功能发生巨大的变化。

麻省理工学院(MIT)化学副教授Alex K. Shalek很享受揭示这些细微差别的挑战。在他的实验室里，研究人员开发和部署了单细胞RNA测序等技术，这让他们能够分析基因表达模式的差异，并让他们弄清楚每个细胞是如何促进组织功能的。

 

“单细胞RNA测序是一种非常强大的方法，可以检测细胞在特定时刻的活动。通过观察细胞表达的不同信使RNA之间的联系，我们可以确定一个组织真正重要的特征就像有什么细胞存在，以及这些细胞在做什么，”Shalek说，他也是麻省理工学院医学工程与科学研究所的核心成员和科赫综合癌症研究所的外部成员，以及麻省理工学院和哈佛大学MGH的拉根研究所成员和哈佛学院和麻省理工学院的Broad研究所成员。

 

虽然他的工作重点是确定小规模的差异，但他希望这将产生大规模的影响，因为他试图更好地理解全球重要的疾病，如艾滋病毒、结核病和癌症。

 

他说:“我们现在做的很多工作都是全球合作，真正关注的是理解人类疾病的细胞和分子基础——与6大洲30多个国家的人合作。我喜欢基础工作和模型系统可能的精确性，但我一直非常有动力将我们的科学与人类健康联系起来，并了解不同疾病的情况，以便我们能够开发出更好的预防和治疗方法。”

 

探索物理世界

 

作为哥伦比亚大学(Columbia University)的一名学生，Shalek在选择化学物理专业之前辗转于几个不同的专业之间。他开始研究物理学是因为他想了解物理世界运行的基本定律。然而，随着研究的深入，他意识到大多数可用的研究机会都涉及到高能粒子的探测，而这对他并没有吸引力。

 

之后，他上了一些数学课程，但感觉与材料没有真正的联系，所以他转向了化学，在那里他遇到了一门让他产生共鸣的课程:统计力学，它涉及使用统计方法来描述大量原子或分子的行为。

 

“我喜欢它，因为它帮助我理解了我在物理学中所学到的关于微观粒子的所有规则，实际上是如何转化为我周围世界中的宏观事物的，”Shalek说。

 

大学毕业后他想做什么，他决定去读研究生。在哈佛大学(Harvard University)获得化学物理博士学位的他，最终与化学和物理教授Hongkun Park合作。Park教授刚刚因为测量单分子和纳米材料的光学和电子性质而获得终身教职，当时他正在建立一个研究大脑的新项目。具体来说，他想找到同时对许多神经元进行高精度电测量的方法。

 

作为第一个加入这项新工作的人，Shalek发现自己在学习神经生物学的基础上，要负责弄清楚如何创建计算模型、制造设备、编写控制电子设备的软件、分析数据，以及许多其他他不知道如何做的事情。

 

“退一步说，这很有挑战性。我上了一堂速成课，学习如何做很多不同的事情，”他回忆道。“这是一次非常谦卑的经历，但我学到了很多。通过乞讨进入哈佛和麻省理工的各种实验室，我能够更快地掌握知识。通过学习和依赖他人，我对学习新学科、解决难题感到非常自在。”

 

他的努力导致了几项新技术的开发，包括纳米线阵列，它可以用来记录神经元的活动，也可以在不伤害单个细胞的情况下将分子注入单个细胞，并去除细胞中的一些内容物。这对研究免疫细胞特别有用，因为免疫细胞通常会抵抗病毒等其他传递方式。

 

一个人的方法

 

Shalek在研究生院的工作激发了他对系统生物学的兴趣，系统生物学包括使用基因组学和其他技术全面测量一个生物系统的许多方面，然后建立模型来解释观察到的测量，最后使用扰动技术在活细胞中测试模型。然而，令他沮丧的是，他经常发现，当他试图测试一个模型的预测时，并不是系统中所有的细胞都会显示出预期的结果。

 

“有很多变数，”他说。“我可以看到mRNA水平的差异，或者在蛋白质的表达或活性方面的差异，或者有时我所有的细胞都不能分化成相同的东西。”

 

他开始思考，是否值得尝试研究一个系统内的每个单个细胞，而不是传统的对它们的mRNA进行汇集测序的方法。博士后期间，他与麻省理工学院(MIT)生物学教授、布罗德研究所(Broad Institute)成员Hongkun Park和Aviv Regev合作，开发了对大量单个细胞中发现的所有mRNA进行测序的技术。这些信息可以用来将细胞划分为不同的类型，并揭示它们在特定时刻所处的状态。

 

在麻省理工学院的实验室里，Shalek现在利用他帮助改进的方法来分析多种类型的细胞和组织，并研究它们的身份是如何被环境塑造的。他最近的工作包括研究癌症细胞状态如何影响化疗反应，SARS-CoV-2病毒的细胞目标，分析参与哺乳的细胞类型，以及识别过敏反应中准备产生炎症的T细胞。

 

这项工作的一个主要主题是细胞如何保持内稳态，或生物体内物理和化学条件的稳定状态。

 

“我们知道内稳态是多么重要，因为我们知道不平衡会导致自身免疫性疾病和免疫缺陷，或导致癌症的生长，”Shalek说。“我们想要真正在细胞水平上定义什么是平衡，你如何保持平衡，以及各种环境因素，如接触不同的感染或饮食如何改变这种平衡?”

 

Shalek说，他很感激有这么多机会与麻省理工学院和波士顿地区的其他研究人员合作，以及他的许多国际合作者。在他的实验室研究人类疾病问题时，他确保帮助培养下一代科学家，就像他在研究生和博士后期间接受培训和指导一样。

 

“如果你把这个社区的集体智囊组织起来，并与世界各地的人合作，你可以做不可思议的事情，”Shalek说。“我的经历让我明白了支持和赋予科学家力量的重要性，以及努力提升社区的重要性，这是我一直关注的很多事情。我认识到我的成功很大程度上依赖于人们开放他们的实验室，给我时间和支持我，所以我一直在努力把这一点传递下去。”