首次对神经元进行全基因组CRISPR筛选，结果令人惊讶

　　

 

   

一个神经元的超分辨率显微镜显示了当激活蛋白原基因被抑制时，溶酶体内脂质的积累。

当一个细胞中的单个基因被开启或关闭时，其产生的存在或缺失会影响细胞的功能和存活。在5月24日发表在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)上的一项新研究中，加州大学旧金山分校的研究人员通过分别切换人类基因组中的20,000个基因，成功地将这种效应编入人类神经元。

通过这样做，他们创造了一种可用于许多不同细胞类型的技术，以及一个数据库，其他使用新技术的研究人员可以提供类似的知识，创建一个横跨整个人类细胞谱的疾病基因功能的图片。

“这是揭示疾病基因背后机制的关键的下一步，”加州大学旧金山分校神经退行性疾病研究所和威尔神经科学研究所副教授Martin Kampmann博士说，他注意到这项工作利用了基因测序、干细胞技术和CRISPR的最新进展。

“有很多人类遗传学研究将特定基因与特定疾病联系起来，”Kampmann说。“我们正在做的工作可以深入了解这些基因的变化是如何导致疾病的，并使我们能够针对它们进行治疗。”

他的团队对确定可能与阿尔茨海默氏症和相关痴呆症等神经退行性疾病有关的基因很感兴趣。他们的方法包括使用干细胞生成的人类神经元，以及识别单个基因开启和关闭时细胞内发生的化学变化。

他们专门寻找基因表达的下游变化，这些变化会在细胞中产生氧化应激，在这种情况下，高反应形式的氧气会产生有毒的环境。这种情况被认为是导致神经退化的原因。

基因开关的翻转会带来意想不到的结果

 

为了调查单个基因并更多地了解它们的功能，Kampmann使用了一种称为CRISPR激活/干扰技术（CRISPR a/i），这是他作为加州大学旧金山分校的博士后学者与Jonathan Weissman博士共同开发的，他曾是加州大学旧金山分校的教员，现在是怀特黑德研究所的成员和霍华德·休斯医学研究所的研究员。CRISPR a/i可以让研究人员暂时关闭或打开一个基因，看看这种变化如何影响其他基因的表达。

在人类神经元上使用这个工具，Kampmann使一个又一个基因开启和关闭，使用一种染料来显示高活性氧的存在。他的发现中最有趣的是关闭一种名为激活蛋白原（prosaposin）的蛋白质的基因，这种蛋白质通常帮助细胞回收废物，这大大增加了氧化应激水平。

在神经元中，prosaposin与细胞中被称为溶酶体的部分有关，在溶酶体中生物分子和毒素被分类并以各种方式处理。“乍一看，prosaposin应该与氧化分子无关。它引起了我们的注意，因为这个基因最近被证实与帕金森病有关。真正令人兴奋的是，现在有了CRISPR筛选的结果，我们有了一个基于细胞的模型来帮助我们理解这种联系背后的原因。”

研究小组随后开始找出缺乏prosaposin与神经退化之间的联系。研究人员发现，对该基因的抑制导致了一种名为“年龄色素（age pigment）”的物质的积累，这种物质在衰老细胞中可以看到，它们的溶酶体不再有效地降解物质。研究人员发现，年龄色素捕获了铁，产生活性氧分子，引发了铁中毒，这是一个铁依赖的过程，导致细胞死亡。

“通过简单地使一个基因失活，”Kampmann说，“在短短几天内，我们就可以产生一个衰老的标志，而这通常需要几十年才能在人体中形成。”

建立全局基因功能数据库

 

Kampmann的基因筛选是第一次在人类神经元上进行。

他观察到的一连串变化是特定于神经元的功能，而且只与一组条件有关。他说，该结果为使用CRISPR a/i进行类似的筛选提供了理由，以在神经元和其他类型的分化细胞中寻找引发其他类型疾病相关环境的变化。

为此，Kampmann创建了一个名为CRISPRbrain的开放访问数据库，他和其他科学家可以在这里共享和研究大规模数据集，比如他的基因筛选产生的数据集。然后，应用机器学习等先进计算技术，就可以在海量数据中检测出模式。

他说:“通过成为来自不同实验室和不同疾病背景的许多不同细胞类型筛选的共用数据，我们可以获得关键的大量信息。整合和交叉分析这一切有巨大的力量。”

该团队的下一步是对从已知会导致神经退化的突变患者身上提取的干细胞制成的神经元进行类似的筛选，并观察其他在脑部疾病中发挥作用的细胞，如星形胶质细胞和小胶质细胞。

Kampmann希望这项技术和数据库能够被广泛采用。“既然我们可以以一种系统的方式来做这件事，我们就可以真正解释基因如何导致疾病的潜在过程，并找到治疗这些疾病的途径。”

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原文检索：Genome-wide CRISPRi/a screens in human neurons link lysosomal failure to ferroptosis