在過去二十年中，人類和疾病的關係發生了很多變化，其中最矚目的變化之一便是醫學遺傳學在診斷和治療上的運用。一個患有難以診斷疾病的兒童，通過基因測序的方法往往可以得到及早的診斷，而及時的診斷往往能幫助醫生制定方案，從而為患者治療疾病或減緩痛苦。
醫學遺傳學，是基於大規模的基因測序來將遺傳性疾病和特定 DNA 突變聯繫起來。這些基因測序工程的結果，被公開儲存在 GnomAD、ClinVar 等大型資料庫中，可供全球醫療工作者用於診斷和治療遺傳性疾病。
雖然這些進步已經轉變了學界對於人類和遺傳性疾病的關係，但是還有很多基因和疾病之間的關係依舊是未知的。其中一個突出的問題在於，絕大部分和疾病相關的 DNA 突變，產生在人類基因組的非編碼區里。
很多 DNA 突變位於非編碼區的轉錄子和增強子裡，這些非編碼區的 DNA 突變並不能改變基因的功能，而是會起到調控不同基因表達的作用。
因此，在非編碼區、特別是在和疾病相關的器官和組織里去理解 DNA 和 DNA 突變的功能，是人類理解基因和疾病之間關係並找到治療方法的重要一步。
同時，測量和理解非編碼區 DNA 在不同組織和器官中調控能力的高低，是尋找更多基因療法的重要一步。
這是因為，無論是採用基因替代療法即以人工引入正常基因的方式來幫助病變的基因，還是採用基因編輯技術的基因療法，都需要在病變組織或器官里找到特異性功能的非編碼區 DNA，以此來表達需要被替代的基因或 CRISPR 酶。
這意味著，大規模的測量非編碼區 DNA 在不同組織和器官中的表達不僅能夠幫助我們理解遺傳性疾病，也可以幫助我們找到更有效的基因療法。
近日，目前美國 Ginkgo 公司擔任計算生物學家的趙思奇在博士期間的一篇論文裡，他介紹了一款單細胞的大規模平行報告分析法（single-cell massively parallel reporter assay，scMPRA），這是一種可以同時測量多個非編碼區 DNA 調控能力的方法。
相關論文發在 Nature Genetics 上[1]，題目為《一種單細胞大規模並行報告基因分析可以檢測細胞類型特異性的基因調控》（A single-cell massively parallel reporter assay detects cell-type-specific gene regulation），趙思奇是第一作者，華盛頓大學醫學院巴拉克·A·科恩（Barak A. Cohen）教授擔任通訊作者。
研究中，當一個轉錄子位於小鼠視網膜的不同細胞類型中時，他和合作者把單細胞 RNA 測序和大規模平行報告分析法結合在一起，同時測量了上百個基因突變的調控能力。
結果發現，不同的突變位於不同的細胞類型中，比如感光細胞和神經細胞之間有不一樣的調控作用。如果將這項技術用於測量已知的和疾病相關的非編碼區 DNA 突變的功能，也許能確定幾個會引起某些遺傳性疾病的突變。
同時，也可以通過合成生物學、人工智慧的方式，來設計不同的非編碼區 DNA，然後使用本次方法來大規模地測試這些人工設計的 DNA，進而尋找在某些特定細胞類型中表達的序列，而這些序列能被直接用於設計更準確的基因療法。
概括來說，這項研究首次將大規模平行報告分析推廣到單細胞層面，可以幫助人們更好地理解突變和遺傳性疾病之間的關係，助力於改進基療法因和細胞療法，也能讓人們更好地理解從受精卵到多細胞發育的問題。
這項成果的直接應用主要有兩方面：
其一，可以通過篩選和疾病相關的 DNA 突變，來確定具備因果關係的突變，藉此幫助人們更好地理解和診斷遺傳性疾病。
其二，可以尋找有特異性表達的轉錄子，能給基因療法帶來更有效的支持。長遠來看，通過單細胞的大規模平行報告分析法所產生的數據，能夠幫助我們訓練機器學習模型，進而預測新的 DNA 突變的影響。同時，單細胞的大規模平行報告分析法也能幫助人們解決一些發育生物學的基礎問題，比如找到非編碼區的 DNA ——而這正是細胞發育和分化的關鍵。
事實上，這項研究的開始完全是歪打正著。那時，趙思奇還在美國華盛頓大學醫學院讀博，一開始的他研究興趣是隨機性的基因轉錄和細胞間的變化性，最初定下的課題是研究非編碼 DNA 對於隨機性基因轉錄的影響。
對於隨機性基因轉錄來說，常用測量方法是採用單原子單細胞螢光原位雜交技術。但是這種方法的通量非常低，很難得到足夠多的數據來訓練模型。
他和合作者當時想將大規模平行報告分析法和 scRNAseq 結合在一起來研究隨機性基因轉錄。但是當課題進行到一半，他們發現這項技術也完全能用於研究多細胞生物的細胞特異性表達。因此，課題組更改了實驗步驟，將原本位於細胞系的實驗換到小鼠上。
回顧研究全程，趙思奇表示：「我和其餘兩個同學一同加入實驗室，在六年的科研生活中，雖然我們三個人最後都做了不同的項目，也選擇了不一樣的道路，其中一個 MD/PHD 同學接著進行住院醫訓練，一個同學在做博士後，而我來到了業界。在做研究的悲喜之中，大家的相互幫助和傾聽，也讓比較苦悶的科研生活變得溫暖。」
在博士畢業之後，趙思奇選擇來到業界工作。不過，他之前所在的團隊也會繼續將單細胞的大規模平行報告分析法用於研究其他課題。同時，他也希望其他實驗室和生物科技公司，也能使用單細胞的大規模平行報告分析法來研究細胞類型中的特異性表達。
談及為何選擇來到業界工作，趙思奇表示：「選擇來到業界的原因是因為我發現自己的研究方向在業界也有很多應用，這很有可能會更直接地社會產生影響。再就是我想嘗試不一樣的生活方式，生物公司平台的資源往往能讓某一個技術得到更廣泛的應用，我也非常想參與這樣的進程。」
目前在 Ginkgo，他主要工作內容是對公司項目提供實驗設計和計算生物的支持。其表示：「Ginkgo 是一家建立合成生物平台的生物技術公司，我們有很多針對生物自動化的軟硬體系統，可以在不增加人員的前提下極大提高實驗通量，也讓我們能夠建立內部資料庫，從而對實驗設計進行優化。比如我參與了我司新的高通量 Car-T therapy 測試的項目[2]，找到了比現在使用的 CAR-T therapy 更有效的 CAR-T 設計。」
參考資料：
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
關於論文的延伸閱讀↓
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.