上海
如果說現有的CRISPR單細胞篩選技術是“管中窺豹”，那么研究人員真正需要的，是一個能夠同時看清基因表達、染色質狀態和轉錄動態的多維窗口。單一模態的讀出固然有價值，但細胞響應擾動的過程本質上是多層次的：轉錄因子活性變化、染色質重塑、基因表達程序的切換往往同步發生，割裂地分析任何一個維度都難以還原全貌。
2026年4月15日，The Rockefeller University的曹俊越與周偉團隊（博士生許子涵為本文第一作者兼共同通訊作者）在Nature發表了文章Mapping convergent regulators of melanoma drug resistance by PerturbFate，推出了PerturbFate——一個將CRISPRi擾動與單細胞多組學檢測深度整合的高通量篩選平臺，首次在單細胞分辨率下同時捕獲染色質可及性、新生RNA和穩態轉錄組，并以黑色素瘤耐藥模型為示范，展示了該平臺解析復雜細胞狀態轉變的強大能力。
近年來，以Perturb-seq為代表的CRISPR單細胞篩選技術深刻改變了基因功能研究的范式。然而，這類方法的核心局限始終存在：它們通常只能在一次實驗中讀取一種分子層次的信息，要么是基因表達，要么是染色質可及性，魚與熊掌難以兼得。
這一限制在研究細胞狀態轉變時尤為棘手。細胞狀態的維持與切換，本質上是轉錄因子、染色質結構和基因表達程序的協同運作——任何單一維度的快照都只是冰山一角。與此同時，現有平臺的通量與成本也制約著篩選規模，難以在大規模基因集上開展系統性探索。
研究發現
一個細胞，三層信息，成本低于一分錢
PerturbFate的核心創新在于將代謝標記新生RNA（5-EU標記，捕獲剛被轉錄出的RNA，反映實時轉錄活動）、染色質可及性檢測（ATAC-seq，揭示基因組哪些區域處于“開放”狀態）和穩態基因表達整合進同一套單細胞流程。依托單細胞組合索引（sci）技術，PerturbFate無需微流控設備，可在普通實驗室條件下實現大規模并行檢測，單細胞成本低于$0.01。研究團隊通過一系列嚴格驗證實驗證明了各模態的檢測質量：物種區分實驗中單細胞純度超過99%，新生RNA標記背景噪音低于0.4%，染色質信號在轉錄起始位點處呈現標準富集模式。此外，專門優化的雙sgRNA載體設計顯著提升了CRISPRi的敲降效率，使大規模篩選結果更為穩健可靠。
31萬細胞，143個基因，一張完整的耐藥調控地圖
為展示PerturbFate的實際應用能力，研究團隊選取黑色素瘤BRAFV600E突變細胞對維羅非尼（Vemurafenib，一種臨床常用的BRAF抑制劑）耐藥這一經典問題作為示范場景。在無藥和藥物處理兩種條件下，團隊對143個候選基因進行了系統擾動，最終分析超過31萬個單細胞。通過整合RNA與染色質數據，研究團隊重建了黑色素瘤細胞的連續表型軌跡——從分化的黑色素細胞態，經由神經嵴樣中間態，到去分化的未分化耐藥態。分析發現，52個擾動可顯著驅動細胞向耐藥狀態遷移，且這一效應與獨立bulk篩選中測定的生長優勢高度一致（Pearson r = 0.594），充分說明PerturbFate的多組學讀出能夠忠實反映真實的細胞功能變化。
多基因擾動匯聚于共同轉錄因子調控樞紐
進一步的調控網絡分析揭示，不同基因的缺失盡管各有其機制，卻共同激活了一個由FOSL1、KLF5、RREB1、SMAD3等轉錄因子構成的高度協作調控樞紐。在所有耐藥相關擾動中，這些轉錄因子的調控活性表現出顯著的正相關——這意味著，不同遺傳背景下的耐藥并非各自為政，而是匯聚于同一套轉錄程序之上。正如研究團隊所言：“我們開始將耐藥不再看作一份不斷增長的‘靶點清單’，而是看作圍繞共同調控邏輯構建的結構性問題——這或許更具可干預性。”借助新生RNA提供的實時轉錄信息，團隊還進一步鑒定出Hippo/YAP信號通路是這一匯聚調控樞紐的核心上游驅動力，YAP依賴性基因程序在去分化耐藥狀態中普遍激活。
聯合靶向驗證：組合阻斷比單點打擊更有效
鑒定出匯聚調控樞紐之后，研究團隊在維羅非尼處理條件下檢驗了同時干預多個節點的效果。結果顯示，單獨抑制SMAD3或單獨敲降RREB1對耐藥的影響均十分有限；然而，將兩者聯合使用，則顯著削弱了耐藥細胞群體的整體生長優勢，進一步加入KLF5抑制后效果更為突出。這一結果直接驗證了匯聚調控樞紐中多個轉錄因子相互協作、功能互補的特性——單點干預難以突破，組合阻斷才能有效瓦解耐藥程序，為未來聯合用藥策略的設計提供了具體的分子邏輯。
Mediator復合體與匯聚效應因子VEGFC
研究團隊還重點剖析了Mediator復合體各模塊擾動對細胞狀態的差異性影響。Mediator復合體是連接轉錄因子與RNA聚合酶的核心轉錄共激活子，激酶模塊（以MED12為代表）的敲低持續激活炎癥基因程序，并通過解除對Core Mediator的抑制促進YAP驅動的轉錄，從而推動細胞去分化——其中MED12敲低在有藥無藥條件下均產生最強的耐藥效應，且這一效應獨立于激酶模塊其他組分之外。更引人關注的是，血管內皮生長因子C（VEGFC）被鑒定為跨越不同Mediator擾動的共同下游效應因子，功能驗證證實VEGFC敲低可顯著削弱多個耐藥擾動的生長優勢，揭示其作為匯聚治療靶點的潛力。
意義與展望
PerturbFate將高通量CRISPR篩選的信息維度從“單聲道”提升到“多聲道”，同時保持極低的實驗門檻與成本。這項研究更重要的概念性貢獻在于：它證明了不同遺傳擾動可以匯聚于同一套調控邏輯——這一發現改變了研究者理解疾病耐藥機制的視角，也為尋找可干預的共同靶點提供了框架。
從更廣泛的視角看，PerturbFate同樣適用于組織再生、免疫激活、衰老等多種需要理解細胞命運決定機制的生物學場景——凡是涉及瞬時、異質或匯聚性細胞狀態轉變的問題，都是PerturbFate的用武之地。
曹俊越實驗室（Laboratory of Single Cell Genomics and Population Dynamics）隸屬于The Rockefeller University，研究方向聚焦于單細胞多組學技術開發，以及這些技術在衰老和神經科學中的應用。在技術創新方面，實驗室近年來持續推出新一代單細胞平臺：2023年在Nature Biotechnology發表PerturbSci-kinetics，將CRISPR篩選與代謝標記新生RNA相結合，在單細胞水平系統解析了基因擾動對轉錄動態（涵蓋RNA合成、加工與降解）的影響；2024年開發了無需光學成像設備的空間基因組學平臺IRISeq；2025年在Cell Genomics發表EnrichSci，一種基于雜交鏈式反應的靶向細胞富集測序平臺，可對特定稀有細胞類型（如腦內少突膠質細胞亞型）進行高深度單核轉錄組分析。在衰老圖譜方面，實驗室于2023年在Nature Genetics完成了人類和小鼠腦衰老及阿爾茨海默病的系統性單細胞圖譜研究；2024年在Science繪制了涵蓋14個器官、超過2100萬個單細胞的哺乳動物衰老轉錄組圖譜；2025年在Cell Reports揭示了熱量限制對哺乳動物腦衰老的時空調控；2026年2月再次在Science發表了涵蓋21個組織、約700萬個單細胞的全身染色質可及性衰老圖譜，系統闡明了衰老過程中細胞動態與表觀基因組重塑的規律，相關數據庫已公開發布于epiage.net。
附曹俊越團隊近年來部分工作：
（2019）
（2020）
（2020）
（2023）
（2023）
（2024）
（2026）
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10367-0
制版人： 十一
學術合作組織
（*排名不分先后）
戰略合作伙伴
（*排名不分先后）
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