《Nature Methods》用光的力量控制类器官基因表达

类器官是三维细胞培养物，在医学和临床研究中起着关键作用。这要归功于它们在培养皿中复制组织结构和器官功能的能力。科学家可以利用类器官来了解疾病是如何发生的，器官是如何发育的，以及药物是如何起作用的。单细胞技术使研究人员能够深入到细胞的分子水平。通过空间转录组学，他们可以观察到类器官中哪些基因是活跃的，以及随着时间的推移在哪里活跃。

微型器官通常来源于干细胞。这些细胞根本没有分化，或者只有最低限度的分化。它们可以变成任何类型的细胞，如心脏或肾脏细胞、肌肉细胞或神经元。为了使干细胞分化，科学家们给它们“喂食”生长因子，并将它们嵌入营养液中。在那里，细胞聚集成微小的团块，开始像在真正的组织中一样发挥作用和相互作用。以前，这个过程几乎是不可能控制的。

现在，由Max delbrck中心柏林医学系统生物学研究所(MDC-BIMSB)主任Nikolaus Rajewsky教授领导的研究人员在《Nature Methods》上发表了一篇论文，描述了他们用来启动和控制这一过程的技术，并跨越时间和空间观察了这一过程。“我们将空间转录组学和光遗传学结合起来，”首席作者Ivano Legnini博士说。“这使我们既可以控制活细胞中的基因表达，又可以观察它们的行为。”

利用光传感器激活或阻断基因

在光遗传学中，将天然或人工的“光传感器”插入细胞中。如果光线到达传感器，它们就会激活或阻断细胞中的基因，这取决于它们的编程方式。莱格尼尼将这些光传感器安装在干细胞衍生的神经前体细胞中，这些细胞会聚集在一起形成神经类器官。他与Agnieszka Rybak-Wolf博士领导的类器官技术平台团队以及Robert Patrick Zinzen博士领导的神经组织分化系统生物学实验室合作。研究人员想要弄清楚人类胚胎中的神经系统是如何发育的。被称为形态因子的分子在这一过程中起着关键作用。例如，它们向神经元祖细胞发出信号，告诉它们是否应该成为在大脑前部或脊髓后部发挥作用的神经元。这些分子的结合产生了发育过程中典型的基因表达模式。

研究人员利用光来激活一种叫做Sonic Hedgehog的形态原。他们随后对单细胞进行的空间分辨分析表明，这些细胞的反应是将自己排列成典型的类器官。研究人员通过两种方式产生这种光:使用激光显微镜或数字微镜设备，这是Rajewsky的小组与Andrew Woehler博士合作开发的。自2022年11月以来，Woehler一直领导美国弗吉尼亚州阿什本霍华德休斯医学研究所的Janelia实验技术设施。微镜显微镜装有一个芯片，可以容纳几十万个小镜子。它们可以被编程，这样显微镜就可以在样品上产生复杂的光模式，而不像激光只能击中一个点。

Rajewsky说:“我们的方法使我们能够在培养皿中非常准确地重现与组织中基因表达相关的过程。”今年3月，他开始在意大利米兰的人类技术中心成立自己的工作组。他对该小组的计划包括提高该技术的空间和时间分辨率，并使其可用于其他类器官。

Rajewsky还希望改进这种方法:“我真的很期待与光遗传学专家合作，进一步改进这项技术，并将其应用于临床相关的人类类器官模型。”

原文：Spatiotemporal, optogenetic control of gene expression in organoids