新研究，成功地對活體動物的單個細(xì)胞進(jìn)行基因改造

一種已被證實(shí)的追蹤疾病遺傳起源的方法是敲除動物體內(nèi)的單個基因，并研究這對生物體的影響。問題在于，對于許多疾病來說，病理是由多個基因決定的，這使得科學(xué)家們試圖確定任何單一基因?qū)膊〉挠绊懙娜蝿?wù)變得復(fù)雜。要做到這一點(diǎn)，他們必須進(jìn)行許多動物實(shí)驗(yàn)——每一種期望的基因修飾都要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。

由巴塞爾蘇黎世聯(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領(lǐng)導(dǎo)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可以極大地簡化和加快實(shí)驗(yàn)動物的研究:使用CRISPR-Cas基因剪刀，他們同時在單個動物的細(xì)胞中進(jìn)行幾十個基因改變，就像馬賽克一樣。

雖然每個細(xì)胞中不超過一個基因被改變，但器官內(nèi)的各種細(xì)胞以不同的方式被改變。然后可以對單個細(xì)胞進(jìn)行精確分析。這使研究人員能夠在一次實(shí)驗(yàn)中研究許多不同基因變化的后果。

**次在成年動物身上

根據(jù)最近發(fā)表在《Nature》雜志上的一篇報告，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員**成功地將這種方法應(yīng)用于活體動物，特別是成年小鼠。其他科學(xué)家此前也對培養(yǎng)細(xì)胞或動物胚胎開發(fā)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，研究人員使用了腺相關(guān)病毒(AAV)，這是一種可以靶向任何器官的傳遞策略。他們準(zhǔn)備了病毒，使每個病毒顆粒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。通過這種方式，他們能夠關(guān)閉一個器官細(xì)胞中的不同基因。在這項(xiàng)研究中，他們選擇了大腦。  

新發(fā)現(xiàn)致病基因

通過這種方法，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員和日內(nèi)瓦大學(xué)的同事們獲得了一種罕見的人類遺傳疾病的新線索，這種疾病被稱為22q11.2缺失綜合征。受這種疾病影響的患者表現(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，人們知道一個包含106個基因的染色體區(qū)域與這種疾病有關(guān)。人們還知道這種疾病與多種基因有關(guān)，然而，尚不清楚哪種基因在疾病中發(fā)揮了哪些作用。

在小鼠的研究中，研究人員專注于該染色體區(qū)域的29個基因，這些基因在小鼠大腦中也很活躍。在每一個小鼠腦細(xì)胞中，他們修改了這29個基因中的一個，然后分析了這些腦細(xì)胞的RNA圖譜。科學(xué)家們能夠證明，其中三個基因在很大程度上導(dǎo)致了腦細(xì)胞的功能障礙。此外，他們還在小鼠細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了讓人想起精神分裂癥和自閉癥譜系障礙的模式。在這三個基因中，有一個已經(jīng)為人所知，但另外兩個此前并沒有受到太多科學(xué)關(guān)注。

“如果我們知道疾病中的哪些基因有異常活動，我們就可以嘗試開發(fā)藥物來補(bǔ)償這種異常，”António Santinha說，他是普拉特小組的博士生，也是這項(xiàng)研究的主要作者。

該方法也適用于其他遺傳疾病的研究。Santinha說，在許多先天性疾病中，多種基因起作用，而不僅僅是一種。精神分裂癥等精神疾病也是如此。我們的技術(shù)現(xiàn)在可以讓我們直接在成年動物身上研究這些疾病及其遺傳原因。”每次實(shí)驗(yàn)中修改基因的數(shù)量可以從目前的29個增加到幾百個。

Santinha說:“我們現(xiàn)在可以在生物體中進(jìn)行這些分析，這是一個很大的優(yōu)勢，因?yàn)榧?xì)胞在培養(yǎng)物中的行為與它們作為生物體的一部分的行為不同。”另一個優(yōu)點(diǎn)是，科學(xué)家們可以簡單地將AAV注射到動物的血液中。有各種不同的AAV具有不同的功能特性。在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了一種進(jìn)入動物大腦的病毒。“不過，根據(jù)你想要研究的內(nèi)容，你也可以使用瞄準(zhǔn)其他器官的AAV，”Santinha說。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院已經(jīng)申請了這項(xiàng)技術(shù)的專利。研究人員現(xiàn)在想把它作為他們正在建立的衍生產(chǎn)品的一部分。

擾亂基因組

這里介紹的技術(shù)是一系列新的基因編輯方法之一，用于以馬賽克樣的方式改變細(xì)胞的基因組。CRISPR擾動是這種研究方法的技術(shù)術(shù)語，它涉及使用CRISPR- cas基因剪刀對基因組進(jìn)行擾動。這種方法目前正在給生命科學(xué)的研究帶來革命性的變化。它使從一次科學(xué)實(shí)驗(yàn)中獲得大量信息成為可能。因此，這種方法有可能加速生物醫(yī)學(xué)研究，例如尋找遺傳復(fù)雜疾病的分子原因。

一周前，來自巴塞爾蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系的另一個研究小組與來自維也納的一個團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)表了一項(xiàng)研究，他們在類器官中應(yīng)用了CRISPR干擾。類器官是由干細(xì)胞培養(yǎng)而成的微組織球體，其結(jié)構(gòu)與真正的器官相似——換句話說，它們是一種微型器官。這是一種不含動物的研究方法，是對動物研究的補(bǔ)充。因?yàn)檫@兩種方法——CRISPR在動物和類器官中的擾動——都可以用更少的實(shí)驗(yàn)提供更多的信息，這兩種方法都有可能最終減少動物實(shí)驗(yàn)的數(shù)量。

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