Nature|新方法一次性可以对动物体内的每个细胞进行不同的基因修饰

2023-09-27 02:09

追踪疾病遗传原因的一种行之有效的方法是敲除动物体内的单个基因，并研究它对这种生物的影响。问题是许多疾病的病理变化是由多个基因决定的。这使得科学家们极难确定其中任何一个基因在多大程度上与疾病有关。要做到这一点，他们必须进行许多动物实验---对每一种所需的基因进行修饰。

在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院和巴塞尔大学等研究机构的研究人员开发出了一种方法，可以大大简化和加快实验动物的研究工作：使用 CRISPR-Cas 基因剪刀，在一只动物的细胞中同时改变几十个基因，就像打马赛克一样。虽然每个细胞中改变的基因不超过一个，但一个器官中的不同细胞会以不同的方式发生改变。这样就可以对单个细胞进行精确分析。这样，他们就能在一次实验中研究多种不同基因变化的影响。相关研究结果于2023年9月20日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Transcriptional linkage analysis with in vivo AAV-Perturb-seq”。论文通讯作者为苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系生物工程教授Randall Platt。

首次用于成年动物

这些作者报告说，他们首次成功地将这种方法应用于活体动物，特别是成年小鼠。此前，其他科学家已经针对体外培养的细胞或动物胚胎开发出了类似的方法。

为了“告知”小鼠细胞CRISPR-Cas基因剪刀应该破坏哪些基因，这些作者使用了腺相关病毒（AAV），这是一种可以靶向任何器官的递送策略。他们制备了这种病毒，使得每个病毒颗粒都携带破坏特定基因的信息，然后用携带不同基因破坏指令的病毒混合物感染小鼠。这样，他们就能关闭一个器官细胞中的不同基因。在这项新的研究中，他们选择了大脑。

发现新的致病基因

利用这种方法，这些作者获得了人类一种罕见遗传疾病---22q11.2缺失综合征（22q11.2 deletion syndrome）---的新线索。这种疾病的患者表现出许多不同的症状，通常被诊断为精神分裂症和自闭症谱系障碍等其他疾病。在此之前，人们知道这种疾病是由一个包含 106 个基因的染色体区域引起的。人们还知道这种疾病与多个基因有关，但不知道哪些基因在这种疾病中起作用。

通过全身给送AAV.PHP.B和5' gRNA捕获，在成年小鼠大脑中实现了体内单核混合CRISPR筛选。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06570-y。

在这项对小鼠的研究中，这些作者重点研究了这一染色体区域中同样在小鼠大脑中活跃的 29 个基因。在每只小鼠的脑细胞中，他们修改了这 29 个基因中的一个，然后分析了这些脑细胞的 RNA 图谱。他们能够证实其中的三个基因在很大程度上导致了脑细胞的功能障碍。此外，他们还在小鼠脑细胞中发现了与精神分裂症和自闭症谱系障碍相似的模式。在这三个基因中，有一个已经为人所知，但另外两个以前并不是科学界关注的焦点。

论文第一作者、Platt实验室博士生António Santinha说，“如果我们知道某种疾病中哪些基因的活性异常，我们就可以尝试开发补偿这种异常的药物。”

申请专利

这种方法也适用于研究其他遗传疾病。Santinha 说，“在许多先天性疾病中，起作用的是多个基因，而不仅仅是一个基因。精神分裂症等精神疾病也是如此。我们的技术如今可以让我们直接在完全生长的动物体内研究这类疾病及其遗传原因。”每次实验修改的基因数量可以从目前的 29 个增加到几百个。

Santinha说，“我们如今可以在活体生物中进行这些分析，这是一个很大的优势，因为细胞在培养过程中的行为与它们作为活体的一部分的行为是不同的。”另一个优势是，科学家们只需将 AAV 注射到动物的血液中即可。AAV 有多种不同的功能特性。在这项研究中，这些作者使用了一种能进入动物大脑的AAV。Santinha说，“不过，根据你要研究的内容，你也可以使用针对其他器官的AAV。”

苏黎世联邦理工学院已为这项技术申请了专利。这些作者如今想把它作为他们正在建立的分拆公司的一部分。

扰乱基因组

这项新研究介绍的技术是一系列新的基因编辑方法之一，这些方法用于以类似马赛克的方式改变细胞的基因组。CRISPR 扰乱（CRISPR perturbation）是这种研究方法的专业术语，它涉及使用CRISPR-Cas基因剪刀对基因组进行扰动。这种方法目前正在给生命科学研究带来革命性的变化。它使从一次科学实验中获取大量信息成为可能。因此，这种方法有可能加速生物医学研究，例如寻找复杂基因疾病的分子原因。

一周前，苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系的另一个研究团队与来自奥地利维也纳的一个团队合作发表了一项研究，他们在类器官中应用了CRISPR扰动技术（Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06473-y）。

类器官是由干细胞培育而成的微组织球体，具有与真实器官相似的结构，换句话说，它们是一种微型器官。它们是一种不使用动物的研究方法，是对动物研究的补充。由于这两种方法---在动物体内进行CRISPR扰乱和在类器官中进行CRISPR扰乱---都能以更少的实验提供更多的信息，因此这两种方法都有可能最终减少动物实验的数量。

参考资料：

1. Antonio J. Santinha et al. AAV-mediated single-nucleus CRISPR screening of DiGeorge syndrome in vivo. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06570-y.

2. Genetically modifying individual cells in animals
https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/09/genetically-modifying-individual-cells-in-animals.html

来源：Bioon细胞

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来源: qq

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