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Nature:李沖等通過單細胞大腦類器官篩查自閉癥發育缺陷
發布時間:[2023/9/18]     訪問人數:[94]
來源:生物世界


奧地利科學院分子生物技術研究所(IMBA)李沖、Juergen A. Knoblich、蘇黎世聯邦理工學院Barbara Treutlein等人在國際頂尖學術期刊 Nature 上發表了題為:Single-cell brain organoid screening identifies developmental defects in autism 的研究論文。

該研究開發了一種CRISPR-人類類器官-單細胞RNA測序系統,簡稱為CHOOSE系統,該系統使用經過驗證的gRNA、基于誘導CRISPR-Cas9的基因敲除和單細胞轉錄組學,對嵌合型大腦類器官進行了功能缺失篩查。研究團隊使用CHOOSE系統揭示了36個與轉錄調控有關的自閉癥風險基因突變對大腦類器官不同細胞命運的影響,其中背側中間祖細胞、腹側祖細胞和上層興奮性神經元是最脆弱的細胞類型。

這種創新方法為人類大腦的最復雜的疾病之一自閉癥的研究提供了無與倫比的新見解,也為自閉癥臨床研究帶來了期待已久的新希望。這項研究進展的影響尤其大,讓我們能夠在一個嵌合類器官中同時檢測許多感興趣的基因,標志著人類組織中復雜、高效和方便的遺傳篩查時代的到來。

盡管臨床研究已經揭示多種基因突變和自閉癥之間的因果關系,但目前仍然不清楚這些基因突變是如何導致大腦發育缺陷的。而由于人類大腦發育的獨特性,此時動物模型難以發揮作用,只有人類大腦模型才能重現人類大腦的復雜性和特殊性。

在這項最新研究中,IMBA的Juergen Knoblich團隊和蘇黎世聯邦理工學院的Barbara Treutlein團隊展開合作,開發了一種新系統來篩選與自閉癥相關的一整套關鍵轉錄調控基因。這一新系統被命名為——“CHOOSE”(CRISPR-human organoids-scRNA-seq),在該系統中,人類大腦類器官中的每個細胞最多攜帶一個特定的自閉癥基因突變。研究人員可以在單細胞水平上追蹤每個基因突變的影響,并繪制每個細胞的發育軌跡。

論文第一作者、兼共同通訊作者李沖博士表示,通過這種高通量的方法,我們可以系統性地使一系列自閉癥致病基因失活。隨著攜帶這些基因突變的類器官生長,我們可以分析每種突變對每種細胞類型發育的影響。

通過CHOOSE系統,研究團隊為致病基因研究帶來了質的飛躍,為科學界提供了一種可應用于任何疾病和任何人類模型系統的多功能和高通量方法。重要的是,與傳統的遺傳功能缺失方法相比,CHOOSE系統大大加快了分析速度,它讓我們可以在一個實驗中看到每一個基因突變產生的結果,因此與傳統方法相比大大縮短了分析時間。

同時突變多個基因并追蹤它們的影響會產生大量數據,為了分析這個復雜的數據集,論文共同通訊作者 Barbara Treutlein 和她的團隊使用了定量生物信息學和機器學習方法,她表示,使用這種高通量的單細胞表達數據,我們可以量化特定細胞類型是否因為特定基因突變而更豐富或更少,還可以確定普遍或明顯受每個突變影響的基因集。通過比較所有基因突變,就可以重建這些與疾病相關的遺傳擾動的表型景觀。

使用CHOOSE系統,研究團隊發現,已知與自閉癥高風險相關的36個基因突變導致發育中的人類大腦中特定的細胞類型的變化。李沖博士表示,這項研究證明了在大腦發育過程中,某些細胞類型(尤其是產生神經元的神經祖細胞)會比其他細胞類型更容易受到自閉癥相關基因突變的影響,并確定了最容易受到自閉癥相關基因突變影響的基因網絡。

該研究還發現了導致關鍵轉錄變化的基因調控網絡(GRN),這是一組相互作用以調控特定細胞功能的分子調節器。其中,干擾BRG1/ BRM相關因子(BAF)染色質重塑復合體成員可導致腹側端腦祖細胞的富集。具體而言,突變BAF亞基ARID1B會影響祖細胞向少突膠質細胞和中間神經元前體細胞的命運轉變。為了確認這些發現是否與人類疾病有關,研究團隊與維也納醫科大學的臨床醫生合作,從兩個患者的干細胞樣本中生成了大腦腦器官,這兩名患者都有導致自閉癥的同一基因突變。這兩名患者細胞來源的大腦類器官顯示出與特定細胞類型相關的明顯發育缺陷,可以通過將大腦類器官結構與患者大腦的產前核磁共振成像進行比較來驗證這些體外觀察結果,表明了大腦類器官研究數據與臨床觀察結果密切匹配。

除了為自閉癥研究提供無與倫比的新見解外,研究團隊還強調了CHOOSE系統的通用性和可轉移性。論文通訊作者 Juergen Knoblich 教授表示,預計這項技術將被廣泛應用于大腦類器官以外,以研究各種疾病相關基因。通過這項新技術,科學家和臨床醫師獲得了一種穩健且精確控制的高通量篩查工具,大大縮短了分析時間,并為了解疾病機制提供了寶貴見解。

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