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追蹤疾病遺傳原因的一種行之有效的方法是敲除動(dòng)物體內(nèi)的單個(gè)基因，并研究它對(duì)這種生物的影響。問(wèn)題是，許多疾病的病理變化是由多個(gè)基因決定的。這使得科學(xué)家們極難確定其中任何一個(gè)基因在多大程度上與疾病有關(guān)。要做到這一點(diǎn)，他們必須進(jìn)行許多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)---對(duì)每一種所需的基因進(jìn)行修飾。>>>商務(wù)洽談，點(diǎn)此處，在線咨詢

在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和巴塞爾大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)出了一種方法，可以大大簡(jiǎn)化和加快實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的研究工作：使用 CRISPR-Cas 基因剪刀，在一只動(dòng)物的細(xì)胞中同時(shí)改變幾十個(gè)基因，就像打馬賽克一樣。雖然每個(gè)細(xì)胞中改變的基因不超過(guò)一個(gè)，但一個(gè)器官中的不同細(xì)胞會(huì)以不同的方式發(fā)生改變。這樣就可以對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行精確分析。這樣，他們就能在一次實(shí)驗(yàn)中研究多種不同基因變化的影響。相關(guān)研究結(jié)果于2023年9月20日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Transcriptional linkage analysis with in vivo AAV-Perturb-seq”。論文通訊作者為蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系生物工程教授Randall Platt。

首次用于成年動(dòng)物

這些作者報(bào)告說(shuō)，他們首次成功地將這種方法應(yīng)用于活體動(dòng)物，特別是成年小鼠。此前，其他科學(xué)家已經(jīng)針對(duì)體外培養(yǎng)的細(xì)胞或動(dòng)物胚胎開發(fā)出了類似的方法。

為了“告知”小鼠細(xì)胞CRISPR-Cas基因剪刀應(yīng)該破壞哪些基因，這些作者使用了腺相關(guān)病毒(AAV)，這是一種可以靶向任何器官的遞送策略。他們制備了這種病毒，使得每個(gè)病毒顆粒都攜帶破壞特定基因的信息，然后用攜帶不同基因破壞指令的病毒混合物感染小鼠。這樣，他們就能關(guān)閉一個(gè)器官細(xì)胞中的不同基因。在這項(xiàng)新的研究中，他們選擇了大腦。

發(fā)現(xiàn)新的致病基因

利用這種方法，這些作者獲得了人類一種罕見遺傳疾病---22q11.2缺失綜合征(22q11.2 deletion syndrome)---的新線索。這種疾病的患者表現(xiàn)出許多不同的癥狀，通常被診斷為精神分裂癥和自閉癥譜系障礙等其他疾病。在此之前，人們知道這種疾病是由一個(gè)包含 106 個(gè)基因的染色體區(qū)域引起的。人們還知道這種疾病與多個(gè)基因有關(guān)，但不知道哪些基因在這種疾病中起作用。

通過(guò)全身給送AAV.PHP.B和5' gRNA捕獲，在成年小鼠大腦中實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)單核混合CRISPR篩選。圖片來(lái)自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06570-y。

在這項(xiàng)對(duì)小鼠的研究中，這些作者重點(diǎn)研究了這一染色體區(qū)域中同樣在小鼠大腦中活躍的 29 個(gè)基因。在每只小鼠的腦細(xì)胞中，他們修改了這 29 個(gè)基因中的一個(gè)，然后分析了這些腦細(xì)胞的 RNA 圖譜。他們能夠證實(shí)其中的三個(gè)基因在很大程度上導(dǎo)致了腦細(xì)胞的功能障礙。此外，他們還在小鼠腦細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了與精神分裂癥和自閉癥譜系障礙相似的模式。在這三個(gè)基因中，有一個(gè)已經(jīng)為人所知，但另外兩個(gè)以前并不是科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

論文第一作者、Platt實(shí)驗(yàn)室博士生António Santinha說(shuō)，“如果我們知道某種疾病中哪些基因的活性異常，我們就可以嘗試開發(fā)補(bǔ)償這種異常的藥物。”

申請(qǐng)專利

這種方法也適用于研究其他遺傳疾病。Santinha 說(shuō)，“在許多先天性疾病中，起作用的是多個(gè)基因，而不僅僅是一個(gè)基因。精神分裂癥等精神疾病也是如此。我們的技術(shù)如今可以讓我們直接在完全生長(zhǎng)的動(dòng)物體內(nèi)研究這類疾病及其遺傳原因。”每次實(shí)驗(yàn)修改的基因數(shù)量可以從目前的 29 個(gè)增加到幾百個(gè)。

Santinha說(shuō)，“我們?nèi)缃窨梢栽诨铙w生物中進(jìn)行這些分析，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榧?xì)胞在培養(yǎng)過(guò)程中的行為與它們作為活體的一部分的行為是不同的。”另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，科學(xué)家們只需將 AAV 注射到動(dòng)物的血液中即可。AAV 有多種不同的功能特性。在這項(xiàng)研究中，這些作者使用了一種能進(jìn)入動(dòng)物大腦的AAV。Santinha說(shuō)，“不過(guò)，根據(jù)你要研究的內(nèi)容，你也可以使用針對(duì)其他器官的AAV。”

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院已為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專利。這些作者如今想把它作為他們正在建立的分拆公司的一部分。

擾亂基因組

這項(xiàng)新研究介紹的技術(shù)是一系列新的基因編輯方法之一，這些方法用于以類似馬賽克的方式改變細(xì)胞的基因組。CRISPR 擾亂(CRISPR perturbation)是這種研究方法的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，它涉及使用CRISPR-Cas基因剪刀對(duì)基因組進(jìn)行擾動(dòng)。這種方法目前正在給生命科學(xué)研究帶來(lái)革命性的變化。它使從一次科學(xué)實(shí)驗(yàn)中獲取大量信息成為可能。因此，這種方法有可能加速生物醫(yī)學(xué)研究，例如尋找復(fù)雜基因疾病的分子原因。

一周前，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系的另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)與來(lái)自?shī)W地利維也納的一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表了一項(xiàng)研究，他們?cè)陬惼鞴僦袘?yīng)用了CRISPR擾動(dòng)技術(shù)(Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06473-y)。

類器官是由干細(xì)胞培育而成的微組織球體，具有與真實(shí)器官相似的結(jié)構(gòu)，換句話說(shuō)，它們是一種微型器官。它們是一種不使用動(dòng)物的研究方法，是對(duì)動(dòng)物研究的補(bǔ)充。由于這兩種方法---在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行CRISPR擾亂和在類器官中進(jìn)行CRISPR擾亂---都能以更少的實(shí)驗(yàn)提供更多的信息，因此這兩種方法都有可能最終減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的數(shù)量。

來(lái)源：生物谷

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