尽管遗传学和基因组学的进步揭示出许多与疾病相关的基因突变，但很难将这些突变与实际致病过程联系起来，目前医生和研究人员正面临着这一艰巨挑战。

再加上单细胞生物学的日益广泛应用，其可在特定时刻检测每个细胞中的基因和/或蛋白质表达，任务变得更加艰巨。 

科学家首先发现了一种导致儿童严重先天性中性粒细胞减少症（SCN）血液病的基因突变。该突变阻止血细胞发育，导致中性粒细胞的形成。

据这项研究的主要研究者，辛辛那提儿童医院免疫生物学部的H. Leighton Grimes博士称，该研究为科研人员和临床医生研究各种疾病的单细胞基因组学创造了一个新的平台，这有可能使临床中基于基因的诊断变得更加精确和有效。

“除了一些众所周知的致病突变，确定重要和不重要的DNA变化之间的差异可能既乏味又困难。”Grimes说，“我们已能对儿童的基因组进行测序，并将DNA序列差异与疾病联系起来。然而，确定哪、种DNA变化是真正的致病突变很困难，但对于理解疾病的分子机制和治愈方法却至关重要。”

研究人员专注于涉及基因独立生长因子1（GFI1）的突变。

SCN患儿的免疫系统中只有未成熟的血细胞，包括未成熟的中性粒细胞。这使他们处于感染和疾病的高风险中。

研究人员用小鼠和人嗜中性粒细胞建立了SCN的遗传模型，证实了GFI1突变的致病作用，并使科学家能够确定突变GFI1在细胞发育周期的每个阶段如何影响嗜中性白细胞。

这些新数据使他们能够成功治疗和部分挽救SCN模型中的中性粒细胞免疫细胞。

尽管基因操作挽救了GFI1突变对嗜中性粒细胞特化的影响（分化的初始阶段），但产生的细胞在定型上仍有缺陷（分化后的阶段，效应子功能已被编程）。

图1 从定型到粒细胞生成末期经历的细胞状态包括一种罕见的过渡状态（从特化到定型）。

这意味着获救的细胞作为人体抵御感染的第一道防线-先天免疫系统的一部分，仍无法完全发挥功能。

该发现强调了治疗受致病突变影响的每一种细胞类型的重要性。新的分子工作流程系统有望促进治疗干预的战略目标。

这项工作始于人类遗传学部门，使用一种临床分析方法对225名SCN患儿的细胞基因组进行了重新测序。

研究人员在GFI1基因中发现了DNA序列改变。尽管已知GFI1中的某些突变会引起中性粒细胞减少症，但许多GFI1 DNA序列变化的临床意义尚不清楚。

接下来，研究团队将计算生物信息学（由共同通讯作者Nathan Salomonis博士领导）与实验室中的生物实验相结合。

为了确定是否GFI1中任何新发现的DNA序列变化都会引起中性粒细胞减少，研究人员创建了两个遗传模型，他们将SCN患者的GFI1突变基因导入至小鼠基因组，以及人类诱导的多能干细胞中。

干细胞可被诱导产生人嗜中性粒细胞。

随着嗜中性粒细胞的发育，研究人员在正常和突变的人类细胞和小鼠整个发育周期的各个阶段都捕获了它们表达的基因、蛋白质组和其他分子成分。

接下来，他们采用了被称为cellHarmony的新信息学工作流程。这使他们能够详细比较正常细胞和突变细胞在中性粒细胞发育各个阶段的下游靶基因和分子活性。

在突变GFI1的人类细胞和小鼠中，该突变引发了一系列分子功能障碍，阻止了未成熟中性粒细胞的发育。这证实了GFI1基因DNA序列改变的致病作用。

这种功能障碍部分因正在发育的突变细胞核中的染色质缺陷引起，细胞核中含有遗传密码和DNA。

突变细胞中的染色质保持开放状态，并在随后的整个发育阶段经历了DNA改变，这有助于科学家确定受突变基因影响最大的细胞状态，特别是那些包含嗜中性粒细胞特化的细胞状态。

新数据使研究人员能够从基因上修复中性粒细胞的特化，从而控制中性粒细胞的数量。

但是，修复嗜中性粒细胞的特化并不能自动修复嗜中性粒细胞的定型，其先天免疫功能在发育阶段编程。

图2 挽救特化不能修复定型后编程的先天免疫效应子功能。

SCN患儿定期接受一种被称为粒细胞集落刺激因子的细胞因子治疗，该疗法可挽救产生的中性粒细胞数量，但这些孩子通常需要接受抗生素和抗真菌药物治疗来对抗各种感染。

Grimes说，这提出了一个问题，即细胞因子治疗能否完全修复该缺陷，尤其在接受细胞因子疗法治疗的SCN儿童需要额外治疗以保护他们免受反复感染的情况下。

当研究人员分析细胞因子治疗的SNC患者中性粒细胞的先天免疫功能时，他们发现与研究中的小鼠细胞相似，这些细胞未经历正常定型，并且先天免疫功能存在缺陷。

未来的工作重点是了解嗜中性粒细胞的定型步骤，以及发育中的中性粒细胞如何编程染色质和基因表达，以抵抗细菌和真菌感染。（未玖）

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http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-2227-7