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《科学》：利用CRISPR-LICHT技术筛选决定人类大脑大小的基因

生物谷 · 公众号 · · 2020-11-14 18:30

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生物学中的许多基本原理和发育的途径都是在遗传筛选中发现的。遗传筛选最初是在果蝇和秀丽隐杆线虫中开创的，它涉及到许多基因的逐一失活。通过分析基因失活的后果，科学家们可以分析其功能。比如，这种方法可以确定大脑形成所需的所有基因。

在果蝇和线虫身上可以常规地进行遗传筛选。在人类中，存在着丰富的关于遗传病和疾病相关突变后果的知识，但对人类进行系统性分析是不可能的。如今，在一项新的研究中，来自奥地利维也纳生物中心（Vienna BioCenter）、维也纳大学和维也纳医科大学的研究人员开发出一种突破性的技术，这种技术允许在人类组织中并行分析数百个基因。他们将这种新技术命名为CRISPR-LICHT。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“A human tissue screen identifies a regulator of ER secretion as a brain size determinant”。

图片来自Science, 2020, doi:10.1126/science.abb5390。

通过使用研究人员开发的人脑三维细胞培养模型---大脑类器官（cerebral organoids），人们如今可以使用CRISPR-LICHT分析数百种突变在人脑中的作用。

论文共同第一作者、IMBA博士生Dominik Lindenhofer解释说，“这种技术是基于在2020年10月获得诺贝尔奖的CRISPR-Cas9技术和双条码方法的结合。关键的技巧是使用向导RNA（gRNA），同时也使用一种基因条形码，即我们添加到用来培养类器官的细胞基因组中的DNA片段。这让我们可以看到每个类器官的完整细胞谱系，而第二种条形码让我们可以计算每个起始细胞产生的细胞数量。这降低了噪音，因此我们可以确定每种gRNA对类器官生长过程中产生的细胞数量的影响。为了描述我们的方法，我们将之称为CRISPR-LICHT（CRIPSR-Lineage Tracing at Cellular resolution in Heterogenous Tissue，利用CRipsR在异质组织中进行细胞分辨率下的谱系追踪）。”

这些研究人员将CRISPR-LICHT应用于小头畸形（microcephaly），即一种以患者大脑尺寸缩小和严重智力障碍为典型特征的遗传性疾病。通过这种革命性的新技术，他们筛选出了所有疑似在这种疾病中发挥作用的基因。

论文共同第一作者、IMBA博士后研究员Christopher Esk说，“我们不仅能够利用CRISPR-LICHT识别小头畸形基因，而且还精确地确定了一种参与控制大脑大小的特定机制。”这种机制会影响组织的完整性，从而影响大脑的大小，并被确定为小头畸形的原因之一。

果蝇的遗传筛选早已成为全基因组筛选的成熟工具，在维也纳有着悠久的传统。维也纳果蝇研究中心（VDRC）由来自IMBA的科学家们共同开发，是欧洲唯一的果蝇种群中心，并且也是全球最大的用于功能基因研究的果蝇数据库之一。IMBA科学主任兼组长Jürgen Knoblich也有研究果蝇遗传学的经验，而且多亏了果蝇，他对干细胞在大脑发育中的作用有了重要的新见解。

Knoblich说，“我们非常兴奋地报告，我们如今可以常规地在复杂的类器官系统中进行遗传筛选。该方法可以应用于其他类器官模型和任何影响器官形成的疾病。这是一种全新的分析大脑疾病的方法，并且具有令人难以置信的未来潜力，这是因为它可以应用于任何大脑疾病，包括自闭症。我们的研究只有在维也纳生物中心的协作精神下才有可能，这是因为其他研究团队也为帮助开发这种新技术做出了实质性贡献。”

参考资料：
1.Christopher Esk et al. A human tissue screen identifies a regulator of ER secretion as a brain size determinant. Science, 2020, doi:10.1126/science.abb5390.
2.A groundbreaking genetic screening tool for human organoids
https://phys.org/news/2020-10-groundbreaking-genetic-screening-tool-human.html