科學家用光標記異常細胞，為纖毛病治療發現新靶點

我們身體里的細胞其實就像一座城市，也需要天線來接收信號和傳遞信息。這個天線就是纖毛，纖毛是一種生長在細胞表面的微小結構。當纖毛出現問題的時候，就會引發一系列的疾病比如肥胖、智力障礙和心臟病等。

但是，由于纖毛的尺寸極其微小，觀測與研究難度極高，相關領域探索一直受到限制。

近日，美國耶魯大學孫京波博士和所在團隊打造出一種基因剪刀配合顯微鏡的平臺，能夠同時觀察成千上萬個細胞里的纖毛，并能夠找出控制它們生長的基因。

經過此，他們發現了一個對于纖毛生長至關重要的新基因，也為探索所有細胞的內部結構打開了一扇嶄新的大門，有助于幫助人類更快地找到一些疑難雜癥的病因和治療方法。

（來源：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.10.015）

傳統的基因研究方法就像在黑暗中探索，人們使用基因剪刀也就是CRISPR技術一次敲除一個基因，看看細胞會發生什么變換，但這非常耗時。目前基于CRISPR技術的混合篩選法，可以同時敲除成千上萬個基因，然后通過細胞的生長速度或者熒光報告基因結合流式細胞儀來篩選結果。但是，這個方法有個大問題：它看不清楚細胞內部的精細變化，比如看不清楚纖毛的長短以及有沒有特定蛋白質等。

孫京波表示，此前已有一些基于成像的CRISPR篩選方法，大致分為兩類：一類是在顯微鏡上直接讀取單細胞的基因型信息，能提供高分辨的多維度表型分析，但對多數實驗室來說應用門檻較高；另一類是將顯微鏡下觀察到的表型轉化為流式細胞儀可分選的熒光信號。

“不過，后一種方法當時尚不能應用于經過化學固定處理的細胞，這限制了其使用范圍。我們的目標，正是開發一個易于操作、同時能兼容固定細胞成像的篩選平臺，并以此深入研究我們感興趣的初級纖毛相關表型。”他告訴DeepTech。

圖 | 孫京波（來源：孫京波）

他和所在團隊想出來的辦法是：為何不把基因剪刀和能夠看清楚細節的熒光顯微鏡結合起來？但是，這個結合所面臨的巨大挑戰是：首先，需要針對數百萬個經過基因改造的細胞進行快速拍照和快速分析。其次，必須在顯微鏡下精確辨認出到底哪個細胞表現出了所關注的表型，以及追溯是哪個基因被敲除了所導致的。

為此，該團隊設計了一個方案：

第一步是構建表達熒光蛋白標記的細胞系。他們首先改造了人類視網膜細胞，給其裝上了幾種熒光標記，在合適激發光下，一個可以讓纖毛發出綠光，一個可以讓細胞中心體也就是纖毛的底座發出深紅色光，一個是特殊的光開關蛋白被一道特定的近紫外光 (395 nm) 照射之后在合適激發光下能夠持久地發出紅光。

第二步是自動拍照與AI識別。他們將敲除了不同基因的細胞混合在一起培養，然后使用全自動顯微鏡進行大規模拍照。AI軟件可以迅速瀏覽海量細胞的照片，識別出來到底哪些細胞長出了發綠光的纖毛，以及哪些沒有長。

第三步也是最關鍵的一步即點亮目標細胞。顯微鏡連接著一個數字微鏡設備，它可以像投影儀一樣，將一道精細的激光準確地投射到被AI判定為異常的細胞上。這些細胞內的光開關蛋白被激活之后，在特定激發光下開始發出醒目的紅光。

第四步是分揀與解碼，所有的細胞會被收集起來，通過一種名為流式細胞儀的設備進行分揀。這臺儀器能夠根據紅光的強弱，把被點亮的異常細胞單獨分揀出來。然后，該團隊從這些細胞中提取DNA，通過測序技術就能推斷是哪些基因被敲除導致了纖毛異常。

（來源：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.10.015）

此外，該團隊發現了一個名為TMEM218的基因，它在人類細胞系篩選中是強命中基因，但在小鼠細胞系的Hedgehog篩選中卻不是。后續驗證表明，敲除該基因在人類細胞中嚴重損害纖毛發生，但在幾種小鼠細胞系中影響較弱。這提示它可能是一個具有物種特異性的調控因子。

最重要的是，該團隊發現了一個全新的、至關重要的纖毛調控基因SMIM27（根據其定位及功能重新命名為TZMP1-Transition Zone Micro-Protein 1）。它編碼一個僅55個氨基酸的微蛋白。在所有成像篩選中，它都是顯著的命中基因。敲除該基因后，纖毛形成率從正常情況下的約80%急劇下降到5%以下，表型非常強烈。重新表達該基因則可以恢復正常。

（來源：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.10.015）

該團隊的進一步研究發現，SMIM27蛋白定位在纖毛的過渡區，一個控制物質進出纖毛的閘門區域，并與已知的MKS復合體蛋白相互作用，表明它可能是該復合體的一個新成員。

該團隊還與合作伙伴在非洲爪蟾胚胎中進行了驗證，發現SMIM27不僅影響初級纖毛，也影響運動纖毛的形成與擺動功能，并會導致心臟左右不對稱發育等缺陷，證明了其在動物體內的關鍵作用。

參考資料：

相關論文https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.10.015