Perturb-Multimodal: イメージングとシーケンシングを組み合わせたプール型遺伝子スクリーニングのためのプラットフォーム : crisp

[注] Perturb-Multi: Multimodal, pooled in vivo screening.

　後生動物の生命は、空間的に組織化された一連の細胞種における数千の遺伝子の協調的な活動を必要とする。組織としての機能の基礎を理解するには、生体内での多様な細胞および組織の表現型の遺伝子による制御を解析するアプローチが必要である。

　MITとWhitehead InstituteのJonathan Weissman教授とハーバード大学のXiaowei Zhuang教授が率いる研究チームは今回、一連の遺伝子摂動を加えた（with pooled genetic perturbations）組織における大規模でマルチモーダルな遺伝子型-表現型マップを構築するための、イメージングとシーケンシングを組み合わせた手法であるPerturb-Multimodal（Perturb-Multi）を開発した。

　イメージングを用いて、個々の細胞の摂動を特定すると同時に、それらの遺伝子発現プロファイルと細胞内形態を測定する。単一細胞シーケンシングを用いて、同じ摂動に対する完全なトランスクリプトーム応答を測定する。

　具体的には、マウス肝臓における数百の遺伝子摂動を研究するためにPerturb-Multiを適用した。得られたデータは、肝細胞のゾーニング、小胞状タンパク質応答、および脂肪肝の動的制御の根底にある遺伝子調節因子とメカニズムを示唆している。 Perturb-Multi は、複雑な細胞および組織の生理学の遺伝的基礎の発見を加速し、細胞機能の新しい機械学習モデルに重要なトレーニングデータを提供する。

[Perturb-Multi法の詳細]

　研究チームはマウス生体組織中の異なる細胞種において、細胞内解像度におけるマルチモーダルな細胞状態特性評価を用いて、遺伝子摂動の影響をプロファイリングすることを目的とした。複雑でマルチモーダルな表現型を解析することで、肝臓において、主に細胞の生存または増殖に焦点を当てていた従来のプール型遺伝子スクリーニングよりも、より広範な細胞生理機能と遺伝子機能の探索が可能となる。

　Cas9トランスジェニックマウスの肝細胞に、それぞれ異なるCRISPRガイドRNA（sgRNA）とRNAバーコードを有するレンチウイルスのプール型ライブラリーを導入する

[Fig. 1 -A/B引用右図 A 参照]。灌流固定後、Perturb-Multiを用いて組織を解析し、シングルセルシーケンスとイメージングのリードアウトをペアで取得する。scRNA-seqはゲノムワイドな転写プロファイルを提供し、イメージングは細胞内形態、タンパク質およびmRNAの分布、そして細胞の空間的構成を捉える。これらの表現型測定値を共通の摂動特性を介して結び付けることで、細胞および遺伝子機能の多面的な側面が明らかになる。

　Perturb-Multiの開発には、イメージングとシングルセルシーケンシングの両方において、広範な技術革新が必要であった [右上図 B 参照]。イメージングにおいては、形態保存された組織における摂動バーコード、内因性mRNA、およびタンパク質を迅速かつ高度にマルチプレックス化した状態で読み出すことを目指した：デュアルリードアウト法：（B の上段）Perturb-Multiシーケンス法 - 固定組織切片から分離した細胞を、10×Flexプラットフォームを用いたハイブリダイゼーションベースのPerturb-seqで解析する；（Bの下段）Perturb-Multiイメージング法 - 隣接する組織切片をオリゴ標識抗体で標識し、RNAとオリゴ抗体を固定したポリアクリルアミドに包埋した後、透明化処理を行い、RCA-MERFISH* (rolling circle amplification - multiplexed error robust FISH)で検出する。[* Chen KH, Boettiger AN, Moffitt JR, Wang S, Zhuang X. Science. 2015 (PMC4662681)]

[出典] "Perturb-Multimodal: A platform for pooled genetic screens with imaging and sequencing in intact mammalian tissue" Saunders RA [..] Weissman JS, Zhuang X. Cell 2025-08-21. https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.022 [所属] UCSF, Harvard University, HHMI (Chevy Chase), Whitehead Institute, Massachusetts General Hospital, Stanford University, MIT；グラフィカルアブストラクト引用右図参照