Neuron：脑科学研究新篇章——IPSC衍生的神经元与CRISPR筛选技术首次成功结合

2019年8月15日《神经元》杂志在线发表了一篇文章，描述了加州大学旧金山分校和NIH科学家团队开发的特殊版本的CRISPR技术，该技术能系统的改变人类干细胞衍生的神经元的基因活性，首次将干细胞衍生细胞类型和CRISPR筛选技术成功结合，可能会从根本上改变科学家研究脑疾病的方式。

目前已知突变和其他基因变异与许多神经系统疾病的风险增加有关，但技术瓶颈的存在使科学家们无法准确理解这些基因是如何导致疾病的。

加州大学旧金山分校神经退行性疾病研究所副教授、CZ生物中心研究员Martin Kampmann博士说: “在这项研究之前，这一领域存在显著的限制，限制了科学家们对实验室中人类神经元展开深入探索。”

并且，直到最近，科学家才能获得可以用于实验室实验的人类脑细胞，加州大学旧金山分校威尔神经科学研究所的成员也表示“从切除脑组织治疗癫痫或脑癌手术的病人捐献的遗体中获取神经元是有可能的。但这些样本只能存活几天，无法在这些短时间存活的神经元中研究基因的功能。”

科学家们通常依赖于动物模型研究大脑疾病，而动物模型可能无法捕捉到人类神经生物学的许多细微差别。

2006年日本京都大学Shinya Yamanaka,和UCSF-affiliated研究所发现了一种方法，可以让发育时钟倒转，将成年细胞转化为干细胞，经过诱导，干细胞可以转化为身体中任何类型的细胞，包括神经元，这些“诱导多能干细胞”(iPSCs)使人类脑细胞广泛用于实验室研究。

6年后CRISPR基因编辑系统问世，科学家们认为他们终于拥有了能够操纵人类神经元中的基因的工具，并确定它们对神经系统疾病的影响，但是科学家们很快发现CRISPR系统中一种被称为Cas9的酶，不能很好地与iPSCs混合。Kampmann说“干细胞有非常活跃的DNA损伤反应。当Cas9只产生一两个DNA片段时，就会导致毒性，导致细胞死亡”。

因此Kampmann决定解决毒性问题，他与人合作发明了一种名为CRISPRi的工具，这是CRISPR技术的一种改良形式，其中Cas9酶已被失活。当CRISPRi发现它正在寻找的基因时，它会抑制自己的活动而不进行任何削减。因此，与标准的CRISPR-Cas9不同，Kampmann预测，CRISPRi不应该对iPSCs或干细胞来源的神经元有毒。

在这篇新论文中，Kampmann和他的合作者描述了他们如何将CRISPRi应用于人类的iPSCs和ipsc衍生的神经元，并发现它可以在不杀死细胞的情况下靶向并干扰基因——这是科学家们长期以来一直未能实现的壮举。

通过这个系统，研究人员展示了他们的技术如何被用来发现可能导致或促成脑部疾病的基因。例如，他们发现了一些基因可以延长神经元的寿命，但对间充质干细胞或癌细胞没有类似的作用。他们还发现了增加神经元数量的基因——从神经元生长并传递神经信号的投射物——并确定了它们分支的频率。

但最令人惊讶的发现之一是，当研究人员干扰这两种细胞中相同的管家基因时，细胞的反应是激活(或灭活)一组截然不同的基因。这一结果表明，管家基因在不同的细胞类型中可能不会以相同的方式工作，这一观点是Kampmann和他的实验室急于进一步探索的，因为这些差异可能在疾病中发挥重要作用。

Kampmann现在正在利用这项技术研究不同类型的神经元，试图确定为什么某些疾病只选择性地影响神经元的一个子集，比如运动神经元在ALS中被选择性损伤的方式。他还将他的研究扩展到其他类型的脑细胞——包括星形胶质细胞和小胶质细胞——科学家们最近才发现如何从人类的iPSCs中产生这些细胞。

但最终的目标是将CRISPRi和iPSCs相结合的技术转化为一种工具，揭示治疗脑病急需的新治疗方法。

“该领域面临的一个重大挑战是，对于这些疾病中的大多数，我们应该针对药物开发的确切分子途径仍然不清楚，”Michael Ward博士说。 

Kampmann说:“有了这项技术，我们可以从患有阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的病人身上提取皮肤或血细胞，把它们转化成神经元或其他脑细胞，然后找出控制与这种疾病相关的细胞缺陷的基因。这些信息可以让我们确定有效的治疗目标。”

参考资料：

Ruilin Tian et al. CRISPR Interference-Based Platform for Multimodal Genetic Screens in Human iPSC-Derived Neurons.2019 Neuron DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.07.014

作者信息

 

编译作者：未来鑫（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

题图：blogs.biomedcentral.com

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