科学家成功地对活体动物的单个细胞进行基因改造

研究人员已经开发出一种利用CRISPR-Cas同时修饰成年动物细胞中的多个基因的技术，创造出一种类似马赛克的模式，从而简化了对遗传疾病的研究。这种方法揭示了对遗传疾病22q11.2缺失综合征的新见解，并有可能在未来减少动物实验的数量。

　　

一种已被证实的追踪疾病遗传起源的方法是敲除动物体内的单个基因，并研究这对生物体的影响。问题在于，对于许多疾病来说，病理是由多个基因决定的，这使得科学家们试图确定任何单一基因对疾病的影响的任务变得复杂。要做到这一点，他们必须进行许多动物实验——每一种期望的基因修饰都要进行一次实验。

由巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系生物工程教授Randall Platt领导的研究人员现在已经开发出一种方法，可以极大地简化和加快实验动物的研究:使用CRISPR-Cas基因剪刀，他们同时在单个动物的细胞中进行几十个基因改变，就像马赛克一样。

虽然每个细胞中不超过一个基因被改变，但器官内的各种细胞以不同的方式被改变。然后可以对单个细胞进行精确分析。这使研究人员能够在一次实验中研究许多不同基因变化的后果。

第一次在成年动物身上

根据最近发表在《Nature》杂志上的一篇报告，苏黎世联邦理工学院的研究人员首次成功地将这种方法应用于活体动物，特别是成年小鼠。其他科学家此前也对培养细胞或动物胚胎开发了类似的方法。

为了“告知”小鼠细胞CRISPR-Cas基因剪刀应该破坏哪些基因，研究人员使用了腺相关病毒(AAV)，这是一种可以靶向任何器官的传递策略。他们准备了病毒，使每个病毒颗粒携带破坏特定基因的信息，然后用携带不同基因破坏指令的病毒混合物感染小鼠。通过这种方式，他们能够关闭一个器官细胞中的不同基因。在这项研究中，他们选择了大脑。  

新发现致病基因

通过这种方法，苏黎世联邦理工学院的研究人员和日内瓦大学的同事们获得了一种罕见的人类遗传疾病的新线索，这种疾病被称为22q11.2缺失综合征。受这种疾病影响的患者表现出许多不同的症状，通常被诊断为精神分裂症和自闭症谱系障碍等其他疾病。在此之前，人们知道一个包含106个基因的染色体区域与这种疾病有关。人们还知道这种疾病与多种基因有关，然而，尚不清楚哪种基因在疾病中发挥了哪些作用。

在小鼠的研究中，研究人员专注于该染色体区域的29个基因，这些基因在小鼠大脑中也很活跃。在每一个小鼠脑细胞中，他们修改了这29个基因中的一个，然后分析了这些脑细胞的RNA图谱。科学家们能够证明，其中三个基因在很大程度上导致了脑细胞的功能障碍。此外，他们还在小鼠细胞中发现了让人想起精神分裂症和自闭症谱系障碍的模式。在这三个基因中，有一个已经为人所知，但另外两个此前并没有受到太多科学关注。

“如果我们知道疾病中的哪些基因有异常活动，我们就可以尝试开发药物来补偿这种异常，”António Santinha说，他是普拉特小组的博士生，也是这项研究的主要作者。

专利申请中

该方法也适用于其他遗传疾病的研究。Santinha说，在许多先天性疾病中，多种基因起作用，而不仅仅是一种。精神分裂症等精神疾病也是如此。我们的技术现在可以让我们直接在成年动物身上研究这些疾病及其遗传原因。”每次实验中修改基因的数量可以从目前的29个增加到几百个。

Santinha说:“我们现在可以在生物体中进行这些分析，这是一个很大的优势，因为细胞在培养物中的行为与它们作为生物体的一部分的行为不同。”另一个优点是，科学家们可以简单地将AAV注射到动物的血液中。有各种不同的AAV具有不同的功能特性。在这项研究中，研究人员使用了一种进入动物大脑的病毒。“不过，根据你想要研究的内容，你也可以使用瞄准其他器官的AAV，”Santinha说。

苏黎世联邦理工学院已经申请了这项技术的专利。研究人员现在想把它作为他们正在建立的衍生产品的一部分。

扰乱基因组

这里介绍的技术是一系列新的基因编辑方法之一，用于以马赛克样的方式改变细胞的基因组。CRISPR扰动是这种研究方法的技术术语，它涉及使用CRISPR- cas基因剪刀对基因组进行扰动。这种方法目前正在给生命科学的研究带来革命性的变化。它使从一次科学实验中获得大量信息成为可能。因此，这种方法有可能加速生物医学研究，例如寻找遗传复杂疾病的分子原因。

一周前，来自巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系的另一个研究小组与来自维也纳的一个团队合作，发表了一项研究，他们在类器官中应用了CRISPR干扰。类器官是由干细胞培养而成的微组织球体，其结构与真正的器官相似——换句话说，它们是一种微型器官。这是一种不含动物的研究方法，是对动物研究的补充。因为这两种方法——CRISPR在动物和类器官中的扰动——都可以用更少的实验提供更多的信息，这两种方法都有可能最终减少动物实验的数量。

参考文献:“Transcriptional linkage analysis with in vivo AAV-Perturb-seq” by Antonio J. Santinha, Esther Klingler, Maria Kuhn, Rick Farouni, Sandra Lagler, Georgios Kalamakis, Ulrike Lischetti, Denis Jabaudon and Randall J. Platt, 20 September 2023, Nature.