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AI把7000万个细胞纳入基因筛选:显微图像揭示自噬与STING调控因子

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细胞内发生的许多变化,都会留下可观察的形态线索。细胞器位置偏移、细胞内部异常结构出现、囊泡数量增加都可能对应特定生物学过程。细胞形态往往受到多个基因和细胞过程共同影响,复杂表型很难简单地划分为阳性或阴性,不像荧光信号是否出现那样容易分辨,因此想要从图像判断基因变化并不容易。

2026 年 10 月 6 日,发表于《Cell》的「SPARCS enables scalable recovery of complex image-based phenotypes for genetic screening」提出了 SPARCS(空间分辨 CRISPR 筛选)技术,将机器学习驱动的显微图像分析与自动化细胞回收结合起来。

在两个全基因组 CRISPR 敲除筛选中,来自德国慕尼黑大学、普朗克生化研究所等的团队分析了总计约 7000 万个细胞,分别研究自噬体形成和先天免疫传感器 STING 的激活过程,并从中识别出相关调控因子。



论文链接:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)01123-2

从图像中找到异常

CRISPR 基因筛选已经能够在全基因组范围内系统扰动基因,但当研究人员需要比较的是复杂的显微图像时,如何将图像中的细胞表型与具体的基因变化对应起来,仍然是一项技术挑战。

该研究中提出的 SPARCS,是一种将 AI、显微镜和基因筛选结合的技术。研究人员先通过CRISPR敲除扰动不同基因,再对大量细胞进行显微成像。机器学习模型分析这些图像,寻找与目标生物学过程相关的复杂形态变化。筛选过程不仅需要判断哪些细胞出现了值得关注的表型,还要能够定位这些细胞在原始图像中的具体位置。



图 1:SPARCS 使 CRISPR 能够在人类细胞中进行可扩展的空间表型筛查。

随后,系统通过自动化激光显微切割,在原位将选中的细胞回收出来。这样,研究人员便能把细胞呈现出的图像特征,与相应的基因扰动联系起来,并对筛选命中的细胞继续开展分子分析。与只在图像中标记异常细胞相比,这一步提供了进一步研究细胞内部变化的实体样本。

自噬缺陷捕捉

研究团队首先用 SPARCS 研究自噬。自噬是细胞回收和处理内部物质的重要过程,其中,自噬体的形成是一个关键环节。研究人员进行全基因组 CRISPR 敲除筛选,再利用机器学习分析细胞图像,观察不同基因受到扰动后,自噬相关表型如何变化。



图 2:利用 SPARCS 进行 4000 万 U2OS 细胞中全基因组 CRISPR 自噬体形成筛查。

结果显示,这套方法能够找回相当一部分已知的巨自噬调控基因,同时也发现了其他与这一过程有关的基因。研究由此验证,复杂图像表型可以被用于大规模遗传筛选,而不必将实验限制在少数能够用简单信号直接测量的细胞特征上。

此外,尽管基于图像的表型本身复杂,团队的监督分类器依旧促进了从 4000 万个基因组库中极少数基因定义表型的个体细胞进行富集。

STING 激活

证明了 SPARCS 能够全面绘制复杂细胞表型遗传图谱的能力后,团队进一步将其应用在鉴定先天免疫传感器 STING 的调控因子。它是先天免疫系统中的重要传感器,其细胞内运输及后续激活受到多个环节调控。研究人员以STING在内质网、高尔基体等细胞结构之间的运输为切入点,筛选影响这一过程的基因。

筛选结果将 GPHR 确定为重要候选调控因子。研究发现,高尔基体内部的酸性环境对 STING 早期运输及后续激活十分重要,而 GPHR 参与维持这一酸性环境。由此,研究将细胞器内部的 pH 状态与 STING 信号传导联系起来,揭示了一条此前未被充分认识的调控机制。



图 3:全基因组 SPARCS 筛查 STING 运输,整合蛋白质组学和计算机实验扰动预测。

细胞内蛋白运输涉及多个细胞器及连续的动态过程,单一终点信号未必能够充分呈现异常发生的位置和形态。通过分析大规模细胞图像,研究人员能够从复杂表型中筛选出值得进一步追踪的基因,再围绕具体机制开展验证。

从图像追到蛋白质

由于被选中的细胞能够被实际回收,研究人员还对命中细胞开展了质谱蛋白质组学分析,以比较基因扰动后细胞蛋白组成的变化。

在 STING 筛选中,蛋白质组数据揭示了与内质网和高尔基体功能紊乱相关的共同特征。研究团队随后进一步利用计算模型 STATE 开展虚拟扰动分析,根据已有的分子变化预测可能产生相似结果的基因,由此提出了其他潜在的 STING 运输调控因子。需要注意的是,这类计算结果属于候选线索,仍需后续实验逐一检验。

总体而言,这项研究展示了 AI 与可扩展的基于图像的基因筛选相结合,为系统性研究基因和推进生物学发现开辟了新机遇。

https://phys.org/news/2026-10-tracking-cellular-gene-functions-ai.html

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