腺相關(guān)病毒工具箱幾乎可以針對任何類型的腦細(xì)胞

一個不斷增長的病毒工具箱使得在大腦和脊髓的特定細(xì)胞類型中表達(dá)基因成為可能。一些腺相關(guān)病毒（AAVs）的數(shù)據(jù)在艾倫研究所的遺傳工具圖譜中提供，該圖譜于9月發(fā)布，其中一些病毒可以購買。根據(jù)bioRxiv在過去14個月里發(fā)布的一系列預(yù)印本，這些工具可以幫助揭示細(xì)胞類型如何影響皮質(zhì)功能和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

通過他們系統(tǒng)細(xì)致的工作，艾倫研究所的研究人員已經(jīng)制造出了針對任何大腦區(qū)域幾乎任何細(xì)胞類型的病毒，巴塞爾分子和臨床眼科學(xué)研究所的創(chuàng)始主任和高級小組組長Botond Roska說，他沒有參與這項工作。“這非常、非常重要，”他補充道。

艾倫研究所在2021年設(shè)計了**批這些AAVs-選擇性興奮性投射神經(jīng)元和表達(dá)小蛋白的神經(jīng)元-從那時起就一直在擴大收集范圍。最近增加的病毒包括針對大腦皮層、紋狀體和脊髓中的各種膠質(zhì)細(xì)胞和額外的神經(jīng)元亞型的病毒。

每一種病毒都配備了一種叫做增強子的短基因調(diào)控元件，它通過招募在選定的細(xì)胞類型中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)來激活基因。為了在小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)中識別這些細(xì)胞類型特異性增強子，該研究所的研究人員將來自ATAC-seq（一種檢測基因組可訪問區(qū)域的方法）的數(shù)據(jù)與基于基因表達(dá)相似性識別細(xì)胞亞型的單核測序數(shù)據(jù)結(jié)合起來。

研究小組確定了多個候選增強子，并將每個增強子包裝成AAV，這樣它就可以控制熒光蛋白基因的表達(dá)，然后他們在小鼠中篩選AAV。最有希望的病毒——那些只在一種細(xì)胞類型中表達(dá)幾乎所有熒光蛋白的病毒——經(jīng)過進(jìn)一步測試，通常發(fā)現(xiàn)對大鼠和非人類靈長類動物也有效。

“這是一個了不起的資源庫，”安布耶爾他是麻省理工學(xué)院麥戈文研究所（Massachusetts Institute of Technology’s McGovern Institute）的大腦和認(rèn)知科學(xué)教授Ann Graybiel說 ，她沒有參與這項研究。“已經(jīng)對進(jìn)化生物學(xué)產(chǎn)生了非常令人興奮的影響。   ”

例如，通過優(yōu)化GABA能神經(jīng)元特異性增強子AAVs的表達(dá)，研究人員已經(jīng)在手術(shù)中從人的腦組織中取出了多種GABA能細(xì)胞類型。將他們的列表與小鼠中發(fā)現(xiàn)的GABA能神經(jīng)元類型進(jìn)行比較，研究小組發(fā)現(xiàn)了嚙齒動物中沒有的人類大腦細(xì)胞。幫助開發(fā)工具包的艾倫腦科學(xué)研究所副研究員Jonathan Ting說，這樣的研究可以“更好地理解是什么使我們成為獨特的人類”。

同樣的GABA能增強子已經(jīng)被用在兩種病毒中，這兩種病毒都攜帶SCN1A的一部分，SCN1A是一種太大而無法裝入單個病毒載體的基因。該基因編碼一種在抑制性中間神經(jīng)元中表達(dá)的鈉通道，其突變會導(dǎo)致一種名為德拉韋綜合征的嚴(yán)重癲癇。根據(jù)一項未發(fā)表的研究，模擬這種情況的小鼠通常會過早死亡，但當(dāng)它們同時接受兩種SCN1A病毒治療時，所有動物都存活到成年，并且癲癇發(fā)作的次數(shù)減少了。

或者科學(xué)家研究選擇的細(xì)胞類型如何影響行為，增強子-AAVs可以避免培育轉(zhuǎn)基因小鼠的耗時過程。“你真的簡化了做這類研究的范式，”Ting說。

艾倫腦科學(xué)研究所（Allen Institute for Brain Science）的助理研究員Tanya Daigle幫助構(gòu)建了AAVs，她說，病毒提供了轉(zhuǎn)基因動物所缺乏的時間控制元素。雖然轉(zhuǎn)基因是從受孕開始表達(dá)的，但科學(xué)家可以利用病毒工具在動物生命的特定階段在特定細(xì)胞類型中表達(dá)基因。戴格爾說，這可以“為某些實驗提供所需的微調(diào)”。

更重要的是，轉(zhuǎn)基因小鼠并不總是最合適的模式生物。例如，嚙齒類動物不會自然產(chǎn)生與阿爾茨海默病相關(guān)的斑塊和纏結(jié)，但科學(xué)家們還是使用它們，因為研究它們狀況的遺傳工具已經(jīng)建立起來，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算生物學(xué)副教授Andreas Pfenning說，他沒有參與這項工作。Pfenning說：“真正酷的是超越老鼠，進(jìn)入更適合某些事物的模型。”

基因療法的發(fā)展也要求研究從小鼠轉(zhuǎn)移到靈長類動物。事實上，大多數(shù)為小鼠開發(fā)的增強型AAVs在獼猴和人類神經(jīng)外科組織中表現(xiàn)出相同的細(xì)胞類型特異性。其中一種工具將兩個增強子縫合在一起，同時靶向與獼猴大腦肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）有關(guān)的上下脊髓運動神經(jīng)元。Daigle和Ting說，將這種工具與設(shè)計用于穿透血腦屏障而避開肝臟的衣殼結(jié)合起來，有一天可能會產(chǎn)生一種副作用最小的ALS基因療法。

然而，至少在一些實驗中，轉(zhuǎn)基因小鼠占了上風(fēng)。Pfenning解釋說，因為細(xì)胞吸收不同數(shù)量的病毒顆粒，或者根本不吸收，所以通常很難解釋實驗結(jié)果。例如，如果一種被設(shè)計用來抑制特定類型腦細(xì)胞的增強劑——AAVs，其行為會減少50%，這可能意味著一些目標(biāo)細(xì)胞仍然活躍，或者其他回路也參與其中。Pfenning 說：“如果你沒有完全減少或抑制人口，就很難做出這些絕對主義的主張。”

研究人員說，這些病毒可以結(jié)合使用，而不是取代轉(zhuǎn)基因小鼠，或者填補不存在用于特定細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)基因動物的空白。Ting說，他和他的同事們計劃將下一步的工作重點放在這方面，通過給轉(zhuǎn)基因小鼠補充增強型AAVs，以越來越有針對性地操縱特定的大腦回路。“我不認(rèn)為單獨使用增強病毒是有效的。關(guān)鍵是如何利用它們來擴展我們已經(jīng)知道的東西，并深入研究。”

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