引言

在基因组学快速发展的今天，我们已经能够通过大规模DNA测序技术精确识别和分类人类基因的多样性。然而，如何将基因型与其在生物学中的功能和疾病表型相联系，仍然是生命科学领域的一大挑战。现有的方法虽能在一定程度上揭示基因功能，但往往局限于简单的现象，比如细胞增殖或死亡，无法捕捉许多复杂而微妙的生物过程。针对这一瓶颈，1月27日Nature Methods的研究报道“A genome-wide atlas of human cell morphology”，基于细胞形态学的全基因组扰动图谱，为我们提供了连接基因型与表型的全新视角。

该研究开发了一个名为PERISCOPE的高通量平台，结合了CRISPR-Cas9技术和高维成像分析，以前所未有的精度和规模描绘了超过30万个人类细胞的形态特征。研究团队通过这一技术构建了全基因组的基因–表型映射，不仅重建了已知的细胞信号通路，还发现了许多新的基因功能和相互作用。例如，研究揭示了一种与疾病相关的未充分研究的基因TMEM251的功能，该基因在溶酶体酶的运输过程中扮演了关键角色。这些发现不仅为基础生物学研究提供了丰富的资源，也为新型药物研发和个性化医学打开了新的大门。

通过整合光学成像和高通量数据分析，该研究为探索基因与细胞功能的关系提供了一种具有成本效益且易于扩展的方法。这种创新技术不仅突破了传统分析方法的限制，还为未来在不同生理和疾病背景下的深入研究奠定了基础。

基因组学的未解之谜

基因与表型：从基因序列到生物功能的挑战

在基因组学的飞速发展中，研究人员已经绘制出完整的人类基因组图谱，并利用高通量测序技术识别了数以万计的基因及其变异。然而，从这些基因序列中提取其在生物功能上的具体意义仍然是一项巨大的挑战。基因并非孤立地发挥作用，而是通过复杂的信号通路和相互作用调控细胞内外的各种生物学过程。对于许多基因，尤其是那些少见且研究较少的基因，我们对其功能的理解仍然非常有限，这使得基因型和表型之间的联系显得扑朔迷离。

例如，在人类基因组中，许多与疾病相关的基因功能尚未明确识别，这直接影响了精准医学的推进。现有方法能够将基因变异与某些疾病表型初步关联，但要理解这些基因在细胞层面具体如何运作，仍需更细粒度的数据支持。

简单现象的局限性：传统方法的短板

传统的基因功能研究方法主要依赖于观察简单的生物现象，例如细胞增殖、凋亡或毒性反应。这些现象的确能够为基因功能提供线索，但却无法全面展现基因对细胞复杂功能的深远影响。特别是在涉及多基因相互作用或微妙细胞行为的研究中，传统方法难以捕捉许多关键的信息。

以现有的CRISPR-Cas9筛选技术为例，它在全基因组范围内进行基因敲除实验，能揭示某些关键基因的功能。然而，这些实验通常只能观察到简单的终点现象，例如基因缺失是否导致细胞死亡或生长停滞。对于那些复杂、渐进或仅在特定条件下体现的表型，这些方法常常无能为力。

研究发现，例如细胞形态的变化往往涉及多个基因和细胞器的协同作用，是一个动态且高维度的过程。如果仅关注单一的生物标志或简单的细胞行为，很容易错失关键的科学发现。

破局之路：形态学为基因功能研究提供新契机

面对传统方法的局限性，形态学分析为基因功能研究提供了新的突破口。这种方法通过观察和量化细胞在不同基因扰动条件下的形态特征，揭示基因对细胞功能的多维度影响。该研究开发的PERISCOPE平台，结合了高分辨率成像技术和CRISPR筛选，首次实现了基于细胞形态的全基因组图谱绘制。

研究人员利用这一平台对超过30万个人类细胞进行了详细的形态学分析，从单个细胞层面揭示了基因对细胞器、亚细胞结构乃至整个细胞形态的影响。例如，当扰动与线粒体功能相关的TOMM20基因时，研究发现细胞内的线粒体形态发生了显著变化，这表明形态学分析能够准确捕捉基因的功能特征。

通过这种方法，研究人员不仅能够识别基因与形态表型之间的直接联系，还能够重建已知的信号通路，甚至发现新的基因功能。

技术创新：揭示细胞内部的秘密

PERISCOPE平台

为了突破传统方法在基因功能研究中的局限，研究团队开发了PERISCOPE的创新平台。这一平台以高通量筛选和高维成像技术为核心，通过将CRISPR-Cas9基因敲除技术与形态学数据分析相结合，为研究基因功能提供了一种前所未有的工具。PERISCOPE不仅在规模上覆盖了全基因组，还在分辨率上达到了单细胞层面，从而实现了对基因扰动所引发的细胞形态变化的精准解析。

高维细胞形态成像：多通道荧光标记的力量

PERISCOPE平台的关键在于高维细胞形态成像技术。这种方法通过多通道荧光标记对细胞的多个结构进行同时观测，包括细胞核、细胞质、线粒体等主要细胞器。荧光图像不仅捕捉了细胞的整体形态，还提供了亚细胞结构的细节信息。

在实验中，研究人员利用多通道荧光成像对超过30万个细胞进行了表型记录。这些图像显示了不同基因敲除所导致的形态变化，例如某些基因敲除会导致线粒体网络解体，而其他基因敲除则可能引发细胞核大小的显著变化。这种高维数据的获取，为研究基因功能提供了丰富的视角。

光学CRISPR筛选：基因敲除与细胞形态的结合

CRISPR-Cas9技术是PERISCOPE平台的另一个核心组件，通过精确敲除单个基因并观察其对细胞形态的影响，研究人员能够建立基因与表型之间的直接关联。光学CRISPR筛选不仅实现了高通量的基因扰动，还通过形态学测量扩展了对基因功能的理解深度。

例如，在研究与细胞分裂相关的基因时，研究人员发现，某些基因的敲除会显著改变纺锤体的排列，从而影响细胞分裂的对称性。这些发现表明，光学CRISPR筛选能够捕捉传统方法难以检测的微观变化。

数据驱动：如何从海量图像中提取有意义的特征

高通量成像技术的广泛应用带来了海量的形态数据。如何从这些数据中提取有意义的特征是研究的关键。PERISCOPE平台采用了一套先进的数据处理流程，包括图像预处理、特征提取和模式分析。通过机器学习算法，研究人员从每张图像中提取了超过1,000种形态学特征，涵盖了细胞大小、形状、结构分布等多个维度。

这些特征不仅揭示了单个基因敲除的直接影响，还帮助研究人员重建了基因之间的相互作用网络。例如，通过分析形态学特征的聚类，研究人员发现了一组基因共同调控细胞极性的机制，为细胞迁移的研究提供了新线索。

数据分析的核心：单细胞分辨率的形态学描述

PERISCOPE的一个重要突破在于其单细胞分辨率的形态学描述能力。这种能力使研究人员能够观察到同一基因扰动在不同细胞中产生的微小差异。例如，某些基因敲除对细胞大小的影响在单细胞层面表现出显著的异质性，这表明基因功能可能受到细胞内其他因素的调控。

开源分析工具的应用

为了推动研究的开放性和复现性，PERISCOPE平台提供了一整套开源的分析工具，包括图像处理、特征提取和统计分析模块。这些工具的应用不仅降低了技术门槛，还为其他研究团队复制和扩展这一方法提供了便利。

总之，PERISCOPE平台通过高维成像、CRISPR筛选和数据驱动分析的结合，为基因功能研究提供了一种全新的范式。

细胞形态学图谱的创建

构建全基因组基因–表型映射

细胞形态学的基因–表型图谱是理解基因功能和细胞行为的重要工具。在该研究中，研究团队通过PERISCOPE平台构建了首个基于单细胞分辨率的全基因组基因–表型映射图谱。他们利用CRISPR-Cas9技术敲除基因，并结合高维成像技术记录细胞形态学变化，生成了涵盖成千上万个基因扰动的详细图谱。

这一图谱覆盖了细胞大小、形状、亚细胞结构分布、细胞极性等1000多种形态特征，为探索基因与细胞行为之间的关系提供了数据支持。例如，敲除与细胞骨架相关的ACTB基因时，细胞形态发生显著改变，显示出纤维状骨架的解体，证实了ACTB在维持细胞形态中的核心作用。

人类宫颈癌细胞(HeLa)和肺癌细胞(A549)的应用

在图谱创建过程中，研究人员选用了两种常见的人类细胞系：宫颈癌细胞(HeLa)和肺癌细胞(A549)。这两种细胞系的广泛使用为研究结果的对比和验证提供了便利。

HeLa细胞的高分裂能力使其成为研究基因敲除对细胞周期影响的理想模型。例如，敲除CCNB1基因后，研究发现细胞周期停滞在G2/M期，细胞核形态发生明显变化。这一结果不仅验证了CCNB1在细胞周期调控中的作用，还为药物开发提供了潜在靶点。

相比之下，A549细胞在代谢研究中表现出独特优势。研究发现，当扰动与代谢通路相关的PHGDH基因时，A549细胞的线粒体形态发生显著变化，提示了PHGDH在癌细胞代谢中的重要性。这些发现表明，不同细胞系的组合使用能够全面揭示基因功能的多样性。

关键发现：环境如何影响基因功能

除了基因敲除的直接影响，研究还揭示了细胞微环境对基因功能的显著调控作用。在实验中，研究团队比较了DMEM和HPLM两种培养基对细胞形态的影响。结果显示，相同基因敲除在不同培养条件下会导致显著不同的细胞形态变化。

例如，敲除与溶酶体功能相关的TMEM251基因时，DMEM培养条件下细胞表现出显著的溶酶体聚集，而在HPLM中，这种效应被大幅削弱。这一现象表明，基因功能与代谢环境密切相关，强调了在不同条件下研究基因功能的重要性。

图谱的验证与可靠性

为了确保图谱的准确性和可靠性，研究团队采取了多种验证策略。首先，他们将形态学数据与已知基因功能数据库进行比较，发现绝大多数基因的形态特征与其已知功能高度一致。例如，与细胞骨架相关的基因（如TUBA1B）表现出典型的细胞形态异常，进一步证实了实验结果的可信度。

此外，研究团队还将光学成像数据与基因组测序数据进行了交叉验证。例如，通过单细胞RNA测序（scRNA-seq），他们确认了敲除某些基因后，相关通路中的基因表达水平发生了相应变化。这种一致性证明了基因敲除对细胞形态和分子水平的双重影响。

数据与已知基因功能数据库的比较

在与现有基因功能数据库（如Gene Ontology）的比较中，PERISCOPE生成的图谱不仅验证了已知基因功能，还发现了许多新的基因–表型关联。例如，研究揭示了一个与细胞分裂相关的未知基因，其敲除导致细胞分裂不对称并影响子代细胞形态。这一发现为后续的功能研究和疾病研究提供了线索。

光学与基因组测序数据的一致性

研究的另一个亮点是光学数据与基因组数据的紧密结合。在多个独立实验中，研究团队发现，基因敲除后，光学数据中观察到的形态变化与基因组水平上的表达变化具有显著一致性。例如，敲除PI3K/AKT信号通路中的关键基因时，细胞增殖和形态特征的变化与RNA测序结果显示的基因表达模式完全吻合。这种一致性为形态学图谱的科学价值提供了强有力的支持。

基于PERISCOPE全基因组筛选结果的总结（Credit: Nature Methods）

在HeLa细胞中，使用两种培养基（DMEM和HPLM）进行的PERISCOPE全基因组筛选的结果，主要包括以下几个方面的发现：

a. 基因命中数量的统计

条形图显示了在筛选中识别出的“命中基因”（hit genes）的数量统计：

绿色：基于特定亚细胞区域（内质网ER、线粒体mito、肌动蛋白actin、DNA和高尔基体/膜Golgi/membrane）确定的命中基因。

蓝色：基于整体细胞形态特征（overall profile）确定的命中基因。 结果显示，不同的分析维度识别出的命中基因数量具有显著差异。

b. 亚细胞区域的基因分布

命中基因在不同亚细胞区域的分布以条形图呈现：某些基因可能同时影响多个亚细胞区域，但未必表现为整体细胞形态的改变。例如，一个基因可能同时在线粒体和内质网中表现出形态异常，但不一定影响整体细胞形态。这一结果突出了单独分析亚细胞区域的重要性。

c. 各形态学通道的显著特征

饼图展示了不同形态学通道中显著变化的特征比例：饼图的每个楔形代表某一通道（如线粒体、DNA等）的特征。实心楔形标记了蛋白产物已知存在的通道。数据显示，不同基因敲除会导致各通道中形态特征的显著变化，这为功能预测提供了依据。

d. 基因对之间的光学形态学相关性

散点图对比了随机基因对与CORUM 4.0蛋白复合物基因对的形态学相关性：

蓝色：随机基因对的相关性分布。

红色：CORUM 4.0数据库中已知蛋白复合物基因对的相关性。

结果表明，功能相关的基因对在光学特征上表现出更高的相关性，验证了PERISCOPE平台的生物学合理性。

e. PERISCOPE相关性与STRING评分的关系

箱线图（boxen plot）展示了基因对之间光学形态学相关性与STRING数据库功能相关性评分之间的关系：

横轴：基于PERISCOPE形态学相关性划分的分组。

纵轴：STRING评分（基因对功能相关性的测量）。

数据显示，基因对的形态学相关性越高，其STRING功能相关性评分也越高，进一步支持了PERISCOPE平台在基因功能预测中的可靠性。

f,g. 基因的UMAP嵌入分析

UMAP图显示了DMEM和HPLM培养基中命中基因的两维嵌入：每个点代表一个基因敲除的形态学扰动，点之间的距离表示形态学相关性。聚类结果显示功能相关的基因倾向于聚集。例如，基于GO数据库的手动注释表明，功能相似的基因确实形成了紧密的簇。插图进一步展示了功能相关基因在特定聚类中的一致性。

h. 必需基因与非必需基因的形态学信号分布

盒图显示了必需基因与非必需基因在形态学信号上的差异：必需基因：在DepMap基因效应评分（低于−0.5的阈值）中定义。数据表明，必需基因敲除后的形态学信号显著强于非必需基因，验证了必需基因对细胞形态的显著影响。

新发现：从数据中揭示隐藏的真相

TMEM251基因的重大发现

研究中一个重要的亮点是对TMEM251基因功能的深入揭示。通过PERISCOPE平台，研究人员发现，当敲除TMEM251基因时，细胞形态发生显著变化，尤其是在溶酶体区域出现了明显的异常。进一步的分析表明，该基因在调控溶酶体酶运输过程中扮演了重要角色。此前，TMEM251的功能尚不明确，这一发现为理解溶酶体相关疾病的发病机制提供了新视角。

实验中，研究人员观察到，TMEM251基因敲除会导致溶酶体分布异常，表明其在溶酶体功能维护中具有关键作用。这一发现通过进一步的RNA测序分析得到了验证，相关的溶酶体酶表达显著下降，暗示TMEM251可能是调控溶酶体运输的重要分子节点。

溶酶体酶的正常运输是维持细胞代谢和废物降解的重要过程。研究表明，TMEM251可能通过调控跨膜运输蛋白参与溶酶体酶的运输。数据显示，当该基因敲除后，与溶酶体酶运输相关的关键蛋白（如LAMP1和LAMP2）的定位发生显著改变，导致溶酶体功能障碍。这种功能障碍可能与某些溶酶体储存疾病（如黏多糖贮积症）相关。

通过光学成像，研究人员捕捉到溶酶体的大小和形态明显异常，这种形态学变化进一步支持了TMEM251在调控溶酶体功能中的核心作用。这些数据不仅揭示了基因与溶酶体运输的联系，也为后续药物靶点的开发提供了基础。

令人惊讶的是，TMEM251的作用不仅局限于溶酶体，还影响了其他细胞器之间的相互作用。研究发现，敲除该基因后，溶酶体与线粒体之间的物理接触频率显著下降，这表明TMEM251可能参与跨细胞器的信号传递和物质交换。

这一发现通过亚细胞分辨率的光学成像得到了验证。敲除TMEM251后，线粒体功能指标（如膜电位和ATP生成）均表现出显著下调。这些结果提示，TMEM251可能是跨细胞器作用的一个关键调控因子，其缺失可能会扰乱细胞的整体能量代谢。

信号通路的重新定义

除了单基因研究，PERISCOPE平台还揭示了多个信号通路的重新定义。例如，PI3K/AKT信号通路作为细胞增殖和生存的关键通路，其形态学特征在实验中表现得尤为突出。研究发现，敲除PI3K通路中的核心基因（如PIK3CA）后，细胞形态显著变化，表明该通路对细胞极性和分裂对称性的调控作用比此前认为的更加复杂。

光学数据显示，PI3K/AKT通路的扰动会导致纺锤体异常排列，细胞分裂的不对称性增加。这些现象提示该通路在细胞分裂调控中的作用不仅仅是单纯的增殖信号，还涉及更精细的细胞形态调控。

研究表明，该通路中的多个基因（如AKT1和AKT2）敲除后，细胞骨架的形态发生显著改变，表现为微丝网络解体和细胞张力的减弱。这一发现表明，PI3K/AKT不仅通过调控下游基因表达促进增殖，还直接参与细胞骨架的维持。

通过进一步的功能实验，研究人员验证了这些形态学变化与细胞增殖能力的下降高度相关。这些数据为理解PI3K/AKT通路的多功能性提供了新的视角，也为设计针对性治疗策略提供了潜在的切入点。

新型基因簇的功能预测

基于PERISCOPE平台的高维数据分析，研究团队还预测了一组新型基因簇的功能。这些基因的敲除导致了未曾报道过的细胞形态变化。例如，一个与细胞分裂有关的基因簇在敲除后表现出纺锤体结构异常、子代细胞形态不对称等特征。这些现象提示，这些基因可能共同参与细胞周期的调控。

通过基因共表达网络分析，研究人员进一步发现，这些新型基因簇与细胞分裂相关的已知基因具有高度的表达相关性，为后续实验验证提供了坚实的理论依据。

基因功能研究的新纪元

细胞形态学图谱的潜在应用

细胞形态学图谱的构建标志着基因功能研究进入了一个新纪元。通过系统化地记录基因扰动引发的形态学变化，这一图谱不仅为基础研究提供了重要资源，还在疾病筛查和治疗中展现了巨大的应用潜力。无论是揭示复杂的基因间相互作用，还是探索罕见疾病的致病机制，形态学图谱都为科学家提供了一种高效且全面的工具。

研究中，PERISCOPE平台通过单细胞分辨率的高维数据生成了丰富的形态学特征库。这些特征不仅涵盖了细胞的基本结构变化，还揭示了亚细胞器层面的精细特征。未来，这些数据将成为研究基因功能和生物网络的重要参考，为生命科学领域开辟新的可能性。

疾病基因的快速筛选

细胞形态学图谱为快速识别疾病相关基因提供了有效路径。在复杂疾病中，许多潜在的致病基因尚未被全面解析。基于形态学图谱，研究人员可以快速筛选基因敲除后表现出特异性形态变化的目标基因，从而显著缩短研究周期。

例如，研究中发现了TMEM251基因与溶酶体酶运输的关联，这一发现为溶酶体相关疾病的诊断和治疗提供了新靶点。同样，PI3K/AKT通路中的关键基因通过形态学筛选得以重新定义，为癌症等复杂疾病的研究奠定了基础。这种快速筛选机制将极大提高疾病研究的效率，并推动精准医学的发展。

药物开发中的功能预测

药物开发是生物医学领域中最具挑战的环节之一，而形态学图谱为功能预测和药物靶点筛选提供了革命性的工具。传统药物开发流程往往需要耗费大量时间和资源来验证潜在靶点的功能和有效性，而形态学图谱能够通过高通量筛选快速识别具有治疗潜力的基因或通路。

研究中，通过形态特征的聚类分析，研究人员发现了一组与癌细胞增殖密切相关的新型基因簇。基于这些基因簇，可以预测哪些靶点可能在特定疾病中起关键作用，并设计相应的药物进行验证。此外，形态学图谱还可用于检测药物对目标细胞的作用效果，提供更直观的数据支持。

成本效益与可扩展性：技术的普及化路径

一个技术的成功不仅取决于其科学价值，还需要具备良好的成本效益和可扩展性。PERISCOPE平台通过结合高通量成像和数据分析，大幅降低了传统基因功能研究的时间和成本。例如，该平台能够在单次实验中处理超过30万个细胞样本，显著提高了研究效率。

此外，研究团队开发的开源分析工具进一步降低了技术门槛，使其他实验室能够轻松复制和应用这一技术。通过与现有的生物信息学工具相结合，研究人员可以快速分析数据并生成高质量的图谱。这种技术普及化路径将推动形态学图谱在不同领域的广泛应用，从基础研究到临床诊断再到药物开发，均展现出巨大的潜力。

通过细胞形态学图谱，基因功能研究正在迈入一个更高效、更精准的新时代。这一技术的应用前景不仅体现在基础研究的加速推进上，更为解决实际疾病问题和推动新药开发提供了强大的支持。未来，随着技术的进一步优化和推广，形态学图谱有望成为生命科学领域的一项基础性工具，为健康事业带来更多可能性。

参考文献

Ramezani, M., Weisbart, E., Bauman, J. et al. A genome-wide atlas of human cell morphology. Nat Methods (2025). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02537-7