Cell：利用Perturb-seq技术大规模探究与关键发育基因相关的脑细胞类型

大脑通常被称为“黑盒子”——很难窥探其内部，也很难确定在任何特定时刻发生了什么。这也是人们难以理解神经系统疾病背后复杂的分子、细胞和基因相互作用的部分原因。但是，在一项新的研究中，来自斯克里普斯研究所的研究人员开发的一种新的 CRISPR 筛选方法有可能为这些疾病发现新的治疗靶点和治疗方法。基于此，他们以前所未有的规模快速探究与关键发育基因相关的脑细胞类型，从而有助于揭示不同神经系统疾病的基因和细胞驱动因素。相关研究结果于2024年5月20日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Massively parallel in vivo Perturb-seq reveals cell-type-specific transcriptional networks in cortical development”。

论文通讯作者、斯克里普斯研究所神经科学系助理教授Xin Jin博士说，“我们知道，基因组中的某些突变会使我们对不同疾病变得脆弱或有抵抗力，但疾病背后是哪些特定的细胞类型？哪些大脑区域容易受到这些细胞基因组突变的影响？这些都是我们试图回答的问题。有了这项新技术，我们希望建立一个跨大脑区域、跨细胞类型、跨疾病发展时间的更动态的图像，并真正开始了解疾病是如何发生的，以及如何设计干预措施。”

经过十多年在人类遗传学领域的努力，科学家们已经获得了一长串导致一系列人类疾病的基因变化清单，但了解一个基因如何导致疾病与了解如何治疗疾病本身是截然不同的。每个风险基因都可能影响一种或几种不同的细胞类型。了解这些细胞类型甚至单个细胞如何影响基因并影响疾病进展，是了解如何最终治疗该疾病的关键。

正因如此，Jin与论文第一作者、斯克里普斯研究所博士生Xinhe Zheng共同发明了一种名为体内Perturb-seq的新技术。这种方法利用CRISPR-Cas9技术和单细胞转录组分析，一次一个细胞地测量对细胞的影响。利用CRISPR-Cas9，他们可以在大脑发育过程中精确改变基因组，然后利用单细胞转录组分析密切研究这些变化如何影响单个细胞——数千个细胞同时进行。

Jin说，“我们的新系统可以测量单个细胞在基因扰动后的反应，这意味着我们可以描绘出某些细胞类型是否比其他细胞类型更容易受到影响，以及在发生特定突变时的不同反应。”

以前，将基因扰动引入大脑组织的方法非常缓慢，往往需要几天甚至几周的时间，这为研究与神经发育相关的基因功能创造了不理想的条件。但Jin的新筛选方法可以在48小时内在活细胞中快速实现基因扰动，这意味着科学家们可以在很短的时间内迅速了解特定基因在不同类型细胞中的功能。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.04.050

这种方法还实现了以前不可能达到的可扩展性水平，这些作者仅在一次实验中就能分析 30000 多个细胞，比传统方法快 10～20 倍。在他们研究的许多大脑区域，比如小脑，他们能够收集到数以万计的细胞，而这些细胞是以前的标记方法无法达到的。

在使用这项新技术进行的一项试点研究中，当Jin和她的团队看到基因扰动在不同细胞类型中产生不同效果时，他们的兴趣被激发了出来。这一点非常重要，因为这些受影响的细胞类型是特定疾病或基因变异的作用场所。

Jin说，“尽管它们的群体代表性较小，但一些低丰度细胞类型可能比其他细胞类型受到基因扰动的影响更大。这就是为什么单细胞分辨率，能够研究每一个细胞以及每一个细胞的行为，能够为我们提供一个系统的视角。”

掌握了这种新技术后，Jin计划将它用于更好地了解神经精神疾病，以及某些细胞类型如何与不同的大脑区域相对应。展望未来，Jin说她很高兴看到这种技术能应用于身体其他器官的其他细胞类型，从而更好地了解组织、发育和衰老方面的各种疾病。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Xinhe Zheng et al. Massively parallel in vivo Perturb-seq reveals cell-type-specific transcriptional networks in cortical development. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.04.050.