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人腦類(lèi)器官,一項(xiàng)革命性的研究領(lǐng)域,正通過(guò)高通量基因編輯和單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)幫助我們更深入地理解自閉癥的發(fā)育缺陷。這種3D類(lèi)器官是通過(guò)胚胎干細(xì)胞或多功能干細(xì)胞在體外培養(yǎng)中分化而來(lái),可在分子、細(xì)胞和組織層面上模擬大腦發(fā)育的關(guān)鍵過(guò)程。近年來(lái),人腦類(lèi)器官已被廣泛應(yīng)用于研究基因缺陷導(dǎo)致的腦疾病,包括小腦癥、自閉癥和神經(jīng)退行性病變的發(fā)病機(jī)制。
人腦類(lèi)器官之所以備受矚目,是因?yàn)樗鼈兡軌蛟佻F(xiàn)體內(nèi)的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程和細(xì)胞多樣性,從而成為強(qiáng)大的生物學(xué)模型。然而,由于需要相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的體外培養(yǎng)以及具有一定的組織多樣性,因此每個(gè)致病基因的表型研究通常需要進(jìn)行多方位和多樣本的分析。正因?yàn)槿绱?,科學(xué)家迫切需要一種高通量的基因編輯和高分辨率的表型分析技術(shù),以顯著加速對(duì)致病基因功能的研究。然而,這種技術(shù)在3D類(lèi)器官模型上的應(yīng)用目前還不夠成熟。
2023年9月13日,奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所Juergen A. Knoblich和ETH Treutlein團(tuán)隊(duì)(李沖為共同通訊和共同一作)團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)表了文章 Single-cell brain organoid screening identifies developmental defects in autism 。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種嶄新的高通量基因編輯和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)(CHOOSE系統(tǒng)),將我們對(duì)自閉癥的理解提升到了一個(gè)新的高度。
研究作者充分利用這一技術(shù),在人腦類(lèi)器官中同時(shí)對(duì)36個(gè)高致病性自閉癥基因在不同細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行單個(gè)基因編輯敲除。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的體外培養(yǎng)(4個(gè)月)發(fā)育,這些類(lèi)腦器官擁有復(fù)雜的細(xì)胞多樣性,包括神經(jīng)干細(xì)胞、皮層興奮性和抑制性神經(jīng)元以及膠質(zhì)細(xì)胞,使得作者能夠運(yùn)用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行表型的詳細(xì)對(duì)比分析。研究人員發(fā)現(xiàn)一些細(xì)胞類(lèi)型,如中間祖細(xì)胞、表層興奮性神經(jīng)元以及抑制性神經(jīng)元前體細(xì)胞,更容易受到影響。此外,通過(guò)深入的細(xì)胞內(nèi)分子學(xué)分析,研究人員還發(fā)現(xiàn)了許多表達(dá)受到影響的基因以及生物學(xué)通路的變化,為未來(lái)的自閉癥研究提供了系統(tǒng)和全面的表型數(shù)據(jù)。同時(shí),通過(guò)對(duì)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)可訪(fǎng)問(wèn)性的分析,作者采用多層次的生物信息學(xué)方法找到了與自閉癥相關(guān)的重要基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
在表型分析中,研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象,三個(gè)BAF復(fù)合物成員(ARID1B、BCL11A和SMARCC2)的基因敲除都導(dǎo)致了腹側(cè)一種神經(jīng)干細(xì)胞(ventral radial glia cells)的富集,表明BAF復(fù)合物在調(diào)控腹側(cè)大腦皮層細(xì)胞命運(yùn)規(guī)定中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。最后,研究人員使用具有ARID1B突變的從病人體細(xì)胞分化而來(lái)的多功能干細(xì)胞分化成類(lèi)腦器官,成功地印證了之前在篩查中觀察到的現(xiàn)象。這種結(jié)合高通量篩選與在患者特定背景下的驗(yàn)證的結(jié)合,充分展示了利用類(lèi)器官系統(tǒng)研究神經(jīng)發(fā)育障礙的有效性。
綜上所述,研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了CHOOSE系統(tǒng),并利用腦類(lèi)器官來(lái)探索高風(fēng)險(xiǎn)自閉癥基因的功能特征。通過(guò)高通量基因編輯和高分辨率單細(xì)胞基因組分析,這項(xiàng)研究為自閉癥基因研究提供了一個(gè)涵蓋發(fā)育和細(xì)胞類(lèi)型特異性的表型數(shù)據(jù)庫(kù)。此外,研究人員發(fā)現(xiàn)了特定的細(xì)胞類(lèi)型和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)更容易受到自閉癥的影響,這需要未來(lái)更多的研究關(guān)注。CHOOSE系統(tǒng)為研究致病基因表型提供了一種系統(tǒng)性、定量化、高通量和高分辨率的技術(shù),不僅適用于腦疾病的研究,還可用于研究其他器官系統(tǒng)疾病的機(jī)制。這將深化并加速我們對(duì)遺傳疾病機(jī)制的研究。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-06473-y