新技術(shù)！單細(xì)胞腦類器官篩選識(shí)別自閉癥的發(fā)育缺陷

由IMBA和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員開發(fā)的CHOOSE系統(tǒng)在自閉癥研究方面取得了突破。這項(xiàng)技術(shù)可以詳細(xì)研究人類大腦類器官的基因突變，為自閉癥的潛在機(jī)制提供深刻的見解，并為更廣泛的疾病研究應(yīng)用鋪平道路。

選擇系統(tǒng)是一種結(jié)合腦類器官和遺傳學(xué)的創(chuàng)新方法，通過允許詳細(xì)分析突變及其對(duì)大腦發(fā)育的影響，改變了自閉癥研究。

人類大腦是否存在最終導(dǎo)致自閉癥的致命弱點(diǎn)?有了一個(gè)革命性的新系統(tǒng)，結(jié)合了腦類器官技術(shù)和復(fù)雜的遺傳學(xué)，研究人員現(xiàn)在可以在人類腦類器官的單細(xì)胞水平上全面測(cè)試并行的多種突變的影響。

這項(xiàng)技術(shù)由奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所(IMBA)的Knoblich小組和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Treutlein小組的研究人員開發(fā)，可以識(shí)別自閉癥譜系障礙背后的脆弱細(xì)胞類型和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這種創(chuàng)新的方法對(duì)挑戰(zhàn)人類大腦的最復(fù)雜的疾病之一提供了無與倫比的見解，給自閉癥臨床研究帶來了急需的希望。

人類大腦發(fā)育和自閉癥風(fēng)險(xiǎn)

與其他動(dòng)物物種相比，人類的大腦有自己的思想。為了發(fā)展，人類大腦依賴于人類特有的過程，使我們能夠建立一個(gè)復(fù)雜的分層和連接的皮層。這些獨(dú)特的過程也使人類更容易患上神經(jīng)發(fā)育障礙。

例如，許多具有患自閉癥譜系障礙(ASD)高風(fēng)險(xiǎn)的基因?qū)Υ竽X皮層發(fā)育至關(guān)重要。盡管臨床研究已經(jīng)表明多種基因突變和自閉癥之間存在因果關(guān)系，但研究人員仍然不明白這些突變是如何導(dǎo)致大腦發(fā)育缺陷的——而且由于人類大腦發(fā)育的獨(dú)特性，動(dòng)物模型的應(yīng)用有限。

“只有人類大腦模型才能概括人類大腦的復(fù)雜性和特殊性，”IMBA科學(xué)主任j<s:1> rgen Knoblich說，他是該研究的通訊作者之一。

左半:一個(gè)CHOOSE (CRISPR-human organoids-scRNA-seq)人腦類器官鑲嵌系統(tǒng)的共聚焦圖像，顯示攜帶突變的細(xì)胞為紅色。右半部分:不同顏色代表單個(gè)細(xì)胞的馬賽克描繪，每個(gè)細(xì)胞都攜帶一個(gè)高可信度自閉癥基因的突變。圖片來源:?Knoblich Lab / IMBA-IMP Graphics

基因篩選的創(chuàng)新選擇系統(tǒng)

為了幫助打開這個(gè)黑盒子，來自IMBA和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的j<s:1> rgen Knoblich和Barbara Treutlein研究小組的研究人員開發(fā)了一種技術(shù)來篩選與自閉癥相關(guān)的全套關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基因。這一發(fā)展尤其具有影響力，因?yàn)楦信d趣的基因可以在單個(gè)馬賽克類器官中同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)志著人類組織中復(fù)雜、高效和方便的基因篩查時(shí)代的開始。

在新開發(fā)的系統(tǒng)中，稱為“CHOOSE”(CRISPR-human organoids-scRNA-seq)，類器官中的每個(gè)細(xì)胞最多攜帶一個(gè)特定ASD基因的突變。研究人員可以在單細(xì)胞水平上追蹤每個(gè)突變的影響，并繪制每個(gè)細(xì)胞的發(fā)育軌跡。

“通過這種高通量的方法，我們可以系統(tǒng)地滅活一系列致病基因。隨著攜帶這些突變的類器官的生長，我們分析了每種突變對(duì)每種細(xì)胞類型發(fā)育的影響，”該研究的**作者、共同通訊作者、諾布利奇小組的博士后李沖說。

高通量系統(tǒng)方法

有了CHOOSE系統(tǒng)，IMBA和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究小組對(duì)致病基因的研究進(jìn)行了全面的飛躍，為研究人員提供了一種通用的、高通量的方法，可以應(yīng)用于任何疾病和任何人類模型系統(tǒng)。重要的是，與傳統(tǒng)的基因功能喪失方法相比，CHOOSE大大加快了分析速度。

“我們可以在一次實(shí)驗(yàn)中看到每個(gè)突變的結(jié)果，因此與傳統(tǒng)方法相比，使用幾十年來只可能在果蠅等生物中使用的方法大大縮短了分析時(shí)間，”Knoblich解釋說。“此外，我們?nèi)匀豢梢詮囊话倌陙黻P(guān)于致病基因的科學(xué)文獻(xiàn)中受益。”

同時(shí)改變幾個(gè)基因并追蹤它們的影響會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。為了分析這個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)集，共同通訊作者Barbara Treutlein和她在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)使用了定量生物信息學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法。

“利用這種高通量單細(xì)胞表達(dá)數(shù)據(jù)，我們可以量化給定的細(xì)胞類型是由于給定的突變而更豐富還是更少，我們還可以識(shí)別出受每種突變共同或明顯影響的一組基因。通過比較所有基因突變，我們可以重建這些與疾病相關(guān)的遺傳擾動(dòng)的表型景觀，”Treutlein解釋說。

在發(fā)展過程中了解自閉癥

利用CHOOSE系統(tǒng)，研究人員發(fā)現(xiàn)，36個(gè)基因的突變會(huì)導(dǎo)致發(fā)育中的人類大腦中特定細(xì)胞類型的變化，這些基因已知會(huì)使攜帶者患自閉癥的風(fēng)險(xiǎn)很高。他們確定了通過稱為“基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)”或grn的共同網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄變化。Li解釋說，GRN是一組相互作用以控制特定細(xì)胞功能的分子調(diào)節(jié)因子。他補(bǔ)充說:“我們證明了在大腦發(fā)育過程中，一些細(xì)胞類型比其他細(xì)胞更容易受到影響，并確定了最容易受到自閉癥突變影響的網(wǎng)絡(luò)。”

“通過這種方法，我們了解到導(dǎo)致自閉癥的基因有一些共同的分子機(jī)制，”Knoblich說。然而，這些共同的機(jī)制在不同的細(xì)胞類型中可能導(dǎo)致明顯不同的效果。

“一些細(xì)胞類型更容易受到導(dǎo)致自閉癥的突變的影響，尤其是一些神經(jīng)祖細(xì)胞——產(chǎn)生神經(jīng)元的創(chuàng)始細(xì)胞。這一點(diǎn)是正確的，自閉癥的病理可能已經(jīng)在大腦發(fā)育的早期出現(xiàn)。這表明，在未來研究自閉癥基因時(shí)，一些細(xì)胞類型將需要更多的關(guān)注。”

為了證實(shí)這些發(fā)現(xiàn)是否與人類疾病有關(guān)，研究人員與維也納醫(yī)科大學(xué)的臨床醫(yī)生合作，從兩個(gè)患者干細(xì)胞樣本中產(chǎn)生了腦類器官。兩名患者都有導(dǎo)致自閉癥的同一基因突變。

“從兩名患者身上產(chǎn)生的類器官顯示出與特定細(xì)胞類型相關(guān)的明顯發(fā)育缺陷。我們可以通過將類器官結(jié)構(gòu)與其中一名患者大腦的產(chǎn)前核磁共振成像進(jìn)行比較來驗(yàn)證這些體外觀察結(jié)果，”Knoblich說，這表明類器官數(shù)據(jù)與臨床觀察結(jié)果非常吻合。

超越大腦和自閉癥…

除了獲得對(duì)自閉癥病理的無與倫比的見解外，該團(tuán)隊(duì)還強(qiáng)調(diào)了CHOOSE系統(tǒng)的多功能性和可移植性。“我們預(yù)計(jì)，我們的技術(shù)將廣泛應(yīng)用于腦類器官以外的各種疾病相關(guān)基因的研究，”Knoblich說。

通過這項(xiàng)新技術(shù)，科學(xué)家和臨床醫(yī)生獲得了一種強(qiáng)大的、精確控制的高通量篩選工具，大大縮短了分析時(shí)間，并為疾病機(jī)制提供了寶貴的見解。

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