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在过去二十年中，人类和疾病的关系发生了很多变化，其中最瞩目的变化之一便是医学遗传学在诊断和治疗上的运用。一个患有难以诊断疾病的儿童，通过基因测序的方法往往可以得到及早的诊断，而及时的诊断往往能帮助医生制定方案，从而为患者治疗疾病或减缓痛苦。

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医学遗传学，是基于大规模的基因测序来将遗传性疾病和特定 DNA 突变联系起来。这些基因测序工程的结果，被公开储存在 GnomAD、ClinVar 等大型数据库中，可供全球医疗工作者用于诊断和治疗遗传性疾病。

虽然这些进步已经转变了学界对于人类和遗传性疾病的关系，但是还有很多基因和疾病之间的关系依旧是未知的。其中一个突出的问题在于，绝大部分和疾病相关的 DNA 突变，产生在人类基因组的非编码区里。

很多 DNA 突变位于非编码区的转录子和增强子里，这些非编码区的 DNA 突变并不能改变基因的功能，而是会起到调控不同基因表达的作用。

因此，在非编码区、特别是在和疾病相关的器官和组织里去理解 DNA 和 DNA 突变的功能，是人类理解基因和疾病之间关系并找到治疗方法的重要一步。

同时，测量和理解非编码区 DNA 在不同组织和器官中调控能力的高低，是寻找更多基因疗法的重要一步。

这是因为，无论是采用基因替代疗法即以人工引入正常基因的方式来帮助病变的基因，还是采用基因编辑技术的基因疗法，都需要在病变组织或器官里找到特异性功能的非编码区 DNA，以此来表达需要被替代的基因或 CRISPR 酶。

这意味着，大规模的测量非编码区 DNA 在不同组织和器官中的表达不仅能够帮助我们理解遗传性疾病，也可以帮助我们找到更有效的基因疗法。

近日，目前美国 Ginkgo 公司担任计算生物学家的赵思奇在博士期间的一篇论文里，他介绍了 一款单细胞的大规模平行报告分析法（single-cell massively parallel reporter assay，scMPRA），这是一种可以同时测量多个非编码区 DNA 调控能力的方法。

相关论文发在 Nature Genetics 上[1]，题目为《一种单细胞大规模并行报告基因分析可以检测细胞类型特异性的基因调控》（A single-cell massively parallel reporter assay detects cell-type-specific gene regulation），赵思奇是第一作者，华盛顿大学医学院巴拉克·A·科恩（Barak A. Cohen）教授担任通讯作者。

    

图 | 相关论文（ 来源：Springer Nature ）

研究中，当一个转录子位于小鼠视网膜的不同细胞类型中时，他和合作者把单细胞 RNA 测序和大规模平行报告分析法结合在一起，同时测量了上百个基因突变的调控能力。

结果发现，不同的突变位于不同的细胞类型中，比如感光细胞和神经细胞之间有不一样的调控作用。如果将这项技术用于测量已知的和疾病相关的非编码区 DNA 突变的功能，也许能确定几个会引起某些遗传性疾病的突变。

同时，也可以通过合成生物学、人工智能的方式，来设计不同的非编码区 DNA，然后使用本次方法来大规模地测试这些人工设计的 DNA，进而寻找在某些特定细胞类型中表达的序列，而这些序列能被直接用于设计更准确的基因疗法。

概括来说，这项研究首次将大规模平行报告分析推广到单细胞层面，可以帮助人们更好地理解突变和遗传性疾病之间的关系，助力于改进基疗法因和细胞疗法，也能让人们更好地理解从受精卵到多细胞发育的问题。

这项成果的直接应用主要有两方面：

其一，可以通过筛选和疾病相关的 DNA 突变，来确定具备因果关系的突变，借此帮助人们更好地理解和诊断遗传性疾病。

其二，可以寻找有特异性表达的转录子，能给基因疗法带来更有效的支持。长远来看，通过单细胞的大规模平行报告分析法所产生的数据，能够帮助我们训练机器学习模型，进而预测新的 DNA 突变的影响。同时，单细胞的大规模平行报告分析法也能帮助人们解决一些发育生物学的基础问题，比如找到非编码区的 DNA ——而这正是细胞发育和分化的关键。

事实上，这项研究的开始完全是歪打正着。那时，赵思奇还在美国华盛顿大学医学院读博，一开始的他研究兴趣是随机性的基因转录和细胞间的变化性，最初定下的课题是研究非编码 DNA 对于随机性基因转录的影响。

对于随机性基因转录来说，常用测量方法是采用单原子单细胞荧光原位杂交技术。但是这种方法的通量非常低，很难得到足够多的数据来训练模型。

他和合作者当时想将大规模平行报告分析法和 scRNAseq 结合在一起来研究随机性基因转录。但是当课题进行到一半，他们发现这项技术也完全能用于研究多细胞生物的细胞特异性表达。因此，课题组更改了实验步骤，将原本位于细胞系的实验换到小鼠上。

回顾研究全程，赵思奇表示：“我和其余两个同学一同加入实验室，在六年的科研生活中，虽然我们三个人最后都做了不同的项目，也选择了不一样的道路，其中一个 MD/PHD 同学接着进行住院医训练，一个同学在做博士后，而我来到了业界。在做研究的悲喜之中，大家的相互帮助和倾听，也让比较苦闷的科研生活变得温暖。”

图 | 赵思奇（来源：赵思奇）

在博士毕业之后，赵思奇选择来到业界工作。不过，他之前所在的团队也会继续将单细胞的大规模平行报告分析法用于研究其他课题。同时，他也希望其他实验室和生物科技公司，也能使用单细胞的大规模平行报告分析法来研究细胞类型中的特异性表达。

谈及为何选择来到业界工作，赵思奇表示：“选择来到业界的原因是因为我发现自己的研究方向在业界也有很多应用，这很有可能会更直接地社会产生影响。再就是我想尝试不一样的生活方式，生物公司平台的资源往往能让某一个技术得到更广泛的应用，我也非常想参与这样的进程。”

目前在 Ginkgo，他主要工作内容是对公司项目提供实验设计和计算生物的支持。其表示：“Ginkgo 是一家建立合成生物平台的生物技术公司，我们有很多针对生物自动化的软硬件系统，可以在不增加人员的前提下极大提高实验通量，也让我们能够建立内部数据库，从而对实验设计进行优化。比如我参与了我司新的高通量 Car-T therapy 测试的项目[2]，找到了比现在使用的 CAR-T therapy 更有效的 CAR-T 设计。”

参考资料：

1.Zhao, S., Hong, C.K.Y., Myers, C.A. et al. A single-cell massively parallel reporter assay detects cell-type-specific gene regulation. Nat Genet 55, 346–354 (2023). https://doi.org/10.1038/s41588-022-01278-7

关于论文的延伸阅读↓

2.https://www.ginkgobioworks.com/2022/11/08/car-t-cell-therapies/

https://www.nature.com/articles/s41592-023-01827-w

https://www.nature.com/articles/s41588-022-01277-8.

运营/排版：何晨龙