新技術！單細胞腦類器官篩選識別自閉癥的發育缺陷

由IMBA和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員開發的CHOOSE系統在自閉癥研究方面取得了突破。這項技術可以詳細研究人類大腦類器官的基因突變，為自閉癥的潛在機制提供深刻的見解，并為更廣泛的疾病研究應用鋪平道路。

選擇系統是一種結合腦類器官和遺傳學的創新方法，通過允許詳細分析突變及其對大腦發育的影響，改變了自閉癥研究。

人類大腦是否存在最終導致自閉癥的致命弱點?有了一個革命性的新系統，結合了腦類器官技術和復雜的遺傳學，研究人員現在可以在人類腦類器官的單細胞水平上全面測試并行的多種突變的影響。

這項技術由奧地利科學院分子生物技術研究所(IMBA)的Knoblich小組和蘇黎世聯邦理工學院的Treutlein小組的研究人員開發，可以識別自閉癥譜系障礙背后的脆弱細胞類型和基因調控網絡。這種創新的方法對挑戰人類大腦的最復雜的疾病之一提供了無與倫比的見解，給自閉癥臨床研究帶來了急需的希望。

人類大腦發育和自閉癥風險

與其他動物物種相比，人類的大腦有自己的思想。為了發展，人類大腦依賴于人類特有的過程，使我們能夠建立一個復雜的分層和連接的皮層。這些獨特的過程也使人類更容易患上神經發育障礙。

例如，許多具有患自閉癥譜系障礙(ASD)高風險的基因對大腦皮層發育至關重要。盡管臨床研究已經表明多種基因突變和自閉癥之間存在因果關系，但研究人員仍然不明白這些突變是如何導致大腦發育缺陷的——而且由于人類大腦發育的獨特性，動物模型的應用有限。

“只有人類大腦模型才能概括人類大腦的復雜性和特殊性，”IMBA科學主任j<s:1> rgen Knoblich說，他是該研究的通訊作者之一。

左半:一個CHOOSE (CRISPR-human organoids-scRNA-seq)人腦類器官鑲嵌系統的共聚焦圖像，顯示攜帶突變的細胞為紅色。右半部分:不同顏色代表單個細胞的馬賽克描繪，每個細胞都攜帶一個高可信度自閉癥基因的突變。圖片來源:?Knoblich Lab / IMBA-IMP Graphics

基因篩選的創新選擇系統

為了幫助打開這個黑盒子，來自IMBA和蘇黎世聯邦理工學院的j<s:1> rgen Knoblich和Barbara Treutlein研究小組的研究人員開發了一種技術來篩選與自閉癥相關的全套關鍵轉錄調節基因。這一發展尤其具有影響力，因為感興趣的基因可以在單個馬賽克類器官中同時進行檢測，標志著人類組織中復雜、高效和方便的基因篩查時代的開始。

在新開發的系統中，稱為“CHOOSE”(CRISPR-human organoids-scRNA-seq)，類器官中的每個細胞最多攜帶一個特定ASD基因的突變。研究人員可以在單細胞水平上追蹤每個突變的影響，并繪制每個細胞的發育軌跡。

“通過這種高通量的方法，我們可以系統地滅活一系列致病基因。隨著攜帶這些突變的類器官的生長，我們分析了每種突變對每種細胞類型發育的影響，”該研究的**作者、共同通訊作者、諾布利奇小組的博士后李沖說。

高通量系統方法

有了CHOOSE系統，IMBA和蘇黎世聯邦理工學院的研究小組對致病基因的研究進行了全面的飛躍，為研究人員提供了一種通用的、高通量的方法，可以應用于任何疾病和任何人類模型系統。重要的是，與傳統的基因功能喪失方法相比，CHOOSE大大加快了分析速度。

“我們可以在一次實驗中看到每個突變的結果，因此與傳統方法相比，使用幾十年來只可能在果蠅等生物中使用的方法大大縮短了分析時間，”Knoblich解釋說。“此外，我們仍然可以從一百年來關于致病基因的科學文獻中受益。”

同時改變幾個基因并追蹤它們的影響會產生大量的數據。為了分析這個復雜的數據集，共同通訊作者Barbara Treutlein和她在蘇黎世聯邦理工學院的團隊使用了定量生物信息學和機器學習方法。

“利用這種高通量單細胞表達數據，我們可以量化給定的細胞類型是由于給定的突變而更豐富還是更少，我們還可以識別出受每種突變共同或明顯影響的一組基因。通過比較所有基因突變，我們可以重建這些與疾病相關的遺傳擾動的表型景觀，”Treutlein解釋說。

在發展過程中了解自閉癥

利用CHOOSE系統，研究人員發現，36個基因的突變會導致發育中的人類大腦中特定細胞類型的變化，這些基因已知會使攜帶者患自閉癥的風險很高。他們確定了通過稱為“基因調節網絡”或grn的共同網絡調節的關鍵轉錄變化。Li解釋說，GRN是一組相互作用以控制特定細胞功能的分子調節因子。他補充說:“我們證明了在大腦發育過程中，一些細胞類型比其他細胞更容易受到影響，并確定了最容易受到自閉癥突變影響的網絡。”

“通過這種方法，我們了解到導致自閉癥的基因有一些共同的分子機制，”Knoblich說。然而，這些共同的機制在不同的細胞類型中可能導致明顯不同的效果。

“一些細胞類型更容易受到導致自閉癥的突變的影響，尤其是一些神經祖細胞——產生神經元的創始細胞。這一點是正確的，自閉癥的病理可能已經在大腦發育的早期出現。這表明，在未來研究自閉癥基因時，一些細胞類型將需要更多的關注。”

為了證實這些發現是否與人類疾病有關，研究人員與維也納醫科大學的臨床醫生合作，從兩個患者干細胞樣本中產生了腦類器官。兩名患者都有導致自閉癥的同一基因突變。

“從兩名患者身上產生的類器官顯示出與特定細胞類型相關的明顯發育缺陷。我們可以通過將類器官結構與其中一名患者大腦的產前核磁共振成像進行比較來驗證這些體外觀察結果，”Knoblich說，這表明類器官數據與臨床觀察結果非常吻合。

超越大腦和自閉癥…

除了獲得對自閉癥病理的無與倫比的見解外，該團隊還強調了CHOOSE系統的多功能性和可移植性。“我們預計，我們的技術將廣泛應用于腦類器官以外的各種疾病相關基因的研究，”Knoblich說。

通過這項新技術，科學家和臨床醫生獲得了一種強大的、精確控制的高通量篩選工具，大大縮短了分析時間，并為疾病機制提供了寶貴的見解。

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