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細胞形態是動態變化的，受遺傳、環境等多重因素影響，特別是在疾病研究中，形態是一種重要且信息豐富的細胞特征。與基因表達等其他特征一樣，細胞形態是由遺傳變異介導的，然而人們對人類遺傳多樣性如何塑造細胞形態的理解仍然有限。分析不同細胞類型和遺傳多樣人群中的細胞形態可以促進形態相關遺傳變異的鑒定。
iPSC是一種類似胚胎干細胞的多能干細胞，可以通過重新編程正常細胞而得到，具有分化能力，可用于治療多種疾病。細胞全景繪制（Cell Painting）是結合了細胞和計算生物學，用來描述藥物處理或遺傳干擾后的復雜細胞表型的方法，已被用于表型藥物的發現和基礎研究。Cell Painting可以通過將表達與細胞特征聯系起來來確定基因功能，并已被用于預測癌癥變異對功能的影響。與基因表達等方法相比，細胞形態分析為功能基因組學研究提供了巨大的資產，在批量和單細胞水平上更經濟、更容易推廣。在本文介紹的研究中將Cell Painting與iPSC技術進行了結合，從更廣泛的角度試圖闡明細胞形態和遺傳變異之間的關系。
研究中對來自297名捐贈者的iPSC系進行了擴增、質控分析，然后對其進行了Cell Painting高通量成像和30X全基因組測序 (WGS)。對所有捐贈者的5.1×106個細胞進行了不同細胞器的熒光多色顯微成像（DNA、高爾基體和質膜、內質網、線粒體、核仁和細胞質RNA和肌動蛋白），量化了每個細胞的3418個形態特征（例如形狀、強度和紋理等），從WGS數據中推斷出遺傳變異，并研究了個體形態特征是否與罕見和常見變異相關。
圖1：研究工作流程概覽
將全基因組序列分析與Cell Painting相結合，以確定從>5M iPSC中提取的遺傳變異和形態特征之間的關系，確定了WASF2、PRLR、TSPAN15與細胞質面積和形狀、核粒度以及細胞核周圍線粒體的分布相關的形態表型之間的新關聯，并且這些關聯也通過CRISPR介導的敲低得到驗證。實驗數據表明細胞形態特征與罕見蛋白質編碼變異之間的關聯能被可靠識別。
圖2：罕見變異負擔關聯的功能驗證
當然研究中還有幾個局限性。文章重點研究了生殖系遺傳變異如何影響干細胞形態。雖然采用了嚴格的質控手段來識別和去除具有異常核型或大型基因組重排的細胞，但隨著時間的推移，培養中可能會出現新的體細胞突變。此外，本研究中使用的細胞類型處于基礎的未分化狀態，在更具生理相關的微環境中探索這些關聯對于未來的研究將很有價值。將目前的研究擴展到不同的細胞類型并增加臨床疾病類別的樣本數量將是將細胞形態與人類疾病聯系起來的關鍵步驟。
此外本文工作中的重大發現數量很少，這突顯出體外遺傳學研究仍然需要大幅增加樣本量才能充分發揮發現潛力。數量性狀的發現潛力通常與研究中包括的樣本數量成線性關系，數據表明即使有3000個遺傳上細胞系，可能仍然只能產生10個基因組范圍內顯著的常見變異，這一現象表明需要數萬個細胞系才能開始繪制細胞形態的SNP性狀關聯。相比之下，對罕見變異效應大小的分析表明，隨著樣本量適度增加，有能力檢測許多罕見變異 。因此使用高通量細胞成像來捕捉表型變化特征將是十分重要的實驗需求。這種方法對未來利用人類衍生的、與疾病相關的細胞類型來模擬遺傳變異對細胞功能的影響的研究具有重要前景。
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