细胞形态是动态变化的，受遗传、环境等多重因素影响，特别是在疾病研究中，形态是一种重要且信息丰富的细胞特征。与基因表达等其他特征一样，细胞形态是由遗传变异介导的，然而人们对人类遗传多样性如何塑造细胞形态的理解仍然有限。分析不同细胞类型和遗传多样人群中的细胞形态可以促进形态相关遗传变异的鉴定。
iPSC是一种类似胚胎干细胞的多能干细胞，可以通过重新编程正常细胞而得到，具有分化能力，可用于治疗多种疾病。细胞全景绘制（Cell Painting）是结合了细胞和计算生物学，用来描述药物处理或遗传干扰后的复杂细胞表型的方法，已被用于表型药物的发现和基础研究。Cell Painting可以通过将表达与细胞特征联系起来来确定基因功能，并已被用于预测癌症变异对功能的影响。与基因表达等方法相比，细胞形态分析为功能基因组学研究提供了巨大的资产，在批量和单细胞水平上更经济、更容易推广。在本文介绍的研究中将Cell Painting与iPSC技术进行了结合，从更广泛的角度试图阐明细胞形态和遗传变异之间的关系。
研究中对来自297名捐赠者的iPSC系进行了扩增、质控分析，然后对其进行了Cell Painting高通量成像和30X全基因组测序 (WGS)。对所有捐赠者的5.1×106个细胞进行了不同细胞器的荧光多色显微成像（DNA、高尔基体和质膜、内质网、线粒体、核仁和细胞质RNA和肌动蛋白），量化了每个细胞的3418个形态特征（例如形状、强度和纹理等），从WGS数据中推断出遗传变异，并研究了个体形态特征是否与罕见和常见变异相关。
图1：研究工作流程概览
将全基因组序列分析与Cell Painting相结合，以确定从>5M iPSC中提取的遗传变异和形态特征之间的关系，确定了WASF2、PRLR、TSPAN15与细胞质面积和形状、核粒度以及细胞核周围线粒体的分布相关的形态表型之间的新关联，并且这些关联也通过CRISPR介导的敲低得到验证。实验数据表明细胞形态特征与罕见蛋白质编码变异之间的关联能被可靠识别。
图2：罕见变异负担关联的功能验证
当然研究中还有几个局限性。文章重点研究了生殖系遗传变异如何影响干细胞形态。虽然采用了严格的质控手段来识别和去除具有异常核型或大型基因组重排的细胞，但随着时间的推移，培养中可能会出现新的体细胞突变。此外，本研究中使用的细胞类型处于基础的未分化状态，在更具生理相关的微环境中探索这些关联对于未来的研究将很有价值。将目前的研究扩展到不同的细胞类型并增加临床疾病类别的样本数量将是将细胞形态与人类疾病联系起来的关键步骤。
此外本文工作中的重大发现数量很少，这突显出体外遗传学研究仍然需要大幅增加样本量才能充分发挥发现潜力。数量性状的发现潜力通常与研究中包括的样本数量成线性关系，数据表明即使有3000个遗传上细胞系，可能仍然只能产生10个基因组范围内显著的常见变异，这一现象表明需要数万个细胞系才能开始绘制细胞形态的SNP性状关联。相比之下，对罕见变异效应大小的分析表明，随着样本量适度增加，有能力检测许多罕见变异 。因此使用高通量细胞成像来捕捉表型变化特征将是十分重要的实验需求。这种方法对未来利用人类衍生的、与疾病相关的细胞类型来模拟遗传变异对细胞功能的影响的研究具有重要前景。
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