杜克大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師團(tuán)隊創(chuàng)造了一種新方法，可以通過掌握基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的語言將干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧募?xì)胞類型將干細(xì)胞編程為其他細(xì)胞類型并不是一個新主意。已經(jīng)存在幾種方法，但是結(jié)果還有些不足。通常，在實驗室中培養(yǎng)時，程序化的干細(xì)胞不能正確成熟，因此，尋求成年神經(jīng)元細(xì)胞進(jìn)行實驗的研究人員可能終會得到胚胎神經(jīng)元，而胚胎神經(jīng)元將無法模擬遲發(fā)性精神病和神經(jīng)退行性疾病。

 

杜克大學(xué)博士喬希·布萊克(Josh Black)說：“乍一看，這些細(xì)胞似乎是正確的。” 查爾斯·格斯巴赫(Charles Gersbach)實驗室負(fù)責(zé)這項研究的學(xué)生，“但是他們常常缺少您想要的那些單元格中的一些關(guān)鍵特性。”

使用CRISP基因編輯技術(shù)，魯尼生物醫(yī)學(xué)工程系副教授兼高級基因組技術(shù)中心主任Gersbach領(lǐng)導(dǎo)的實驗室創(chuàng)建了一種方法，該方法可識別哪些轉(zhuǎn)錄因子(基因活性的主要控制者)對于使轉(zhuǎn)錄因子成為關(guān)鍵。好的神經(jīng)元。

他們的工作發(fā)表在12月1日的《細(xì)胞報告》中，展示了該方法制造成熟的成年神經(jīng)元的潛力，但是它可以用于編程任何類型的細(xì)胞。

CRISPR技術(shù)常用于編輯DNA序列，稱為“基因組編輯”，其中Cas9蛋白與引導(dǎo)RNA結(jié)合，引導(dǎo)RNA引導(dǎo)Cas9在特定位置切割DNA，從而導(dǎo)致DNA序列發(fā)生變化。格斯巴赫說：“ DNA編輯已廣泛用于改變基因序列，但這在基因被關(guān)閉的情況下無濟(jì)于事。”

不過，失活的Cas9(dCas9)蛋白將附著在DNA上而不切割。實際上，如果沒有其他分子附著或吸收它，它通常不會做任何事情。Gersbach和他的同事先前已經(jīng)報道了將不同分子結(jié)構(gòu)域連接到dCas9蛋白罐的多種方法，這些方法將告訴細(xì)胞打開基因并重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)布萊克加入格斯巴赫實驗室時，他對使用這些工具打開可以將一種細(xì)胞類型轉(zhuǎn)化為另一種細(xì)胞從而創(chuàng)建更好的疾病模型的基因感興趣。

在2016年，Black和Gersbach報道了一種使用基于CRISPR的基因激活劑來開啟基因網(wǎng)絡(luò)的方法，該網(wǎng)絡(luò)會將成纖維細(xì)胞(一種易于接觸的組成結(jié)締組織的細(xì)胞類型)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)細(xì)胞。這項研究針對的是已知與神經(jīng)元規(guī)格有關(guān)的基因網(wǎng)絡(luò)，但并未產(chǎn)生具有建立有效疾病模型所需的所有特性的細(xì)胞。但是，產(chǎn)生這些所需細(xì)胞的正確基因網(wǎng)絡(luò)尚不清楚，并且人類基因組中編碼了成千上萬種可能性。因此，Black和Gersbach設(shè)計了一種策略，可以在一個實驗中測試所有網(wǎng)絡(luò)。

他們從多能干細(xì)胞開始，因為這種細(xì)胞類型應(yīng)該能夠變成人體內(nèi)的任何其他細(xì)胞。為了利用干細(xì)胞制造成熟的神經(jīng)元，該團(tuán)隊設(shè)計了一旦成為神經(jīng)元的干細(xì)胞就會發(fā)出紅色熒光。熒光越亮，對神經(jīng)元命運(yùn)的推動越強(qiáng)。然后，他們建立了一個匯集了數(shù)千個指導(dǎo)RNA的文庫，這些RNA靶向人類基因組中編碼轉(zhuǎn)錄因子的所有基因。轉(zhuǎn)錄因子是基因網(wǎng)絡(luò)的主要調(diào)節(jié)因子，因此，要生成所需的神經(jīng)元，必須將所有正確的轉(zhuǎn)錄因子都打開。

他們將CRISPR基因激活劑和引導(dǎo)RNA庫引入干細(xì)胞，以便每個細(xì)胞僅接受單個引導(dǎo)RNA，因此打開了其特定的相應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子基因靶標(biāo)。然后，他們根據(jù)它們變成紅色的方式對細(xì)胞進(jìn)行分類，并在多和少的紅細(xì)胞中對指導(dǎo)RNA進(jìn)行測序，從而告訴他們哪些基因打開后會使細(xì)胞或多或少地具有神經(jīng)元的功能。

當(dāng)他們分析了由引導(dǎo)RNA改造的干細(xì)胞的基因表達(dá)時，結(jié)果表明相應(yīng)的細(xì)胞產(chǎn)生了更特異性和更成熟的神經(jīng)元類型。他們還發(fā)現(xiàn)了同時靶向時共同起作用的基因。此外，實驗揭示了拮抗干細(xì)胞神經(jīng)元功能的因素，當(dāng)他們使用基于CRISPR的那些基因的阻遏物時，它們也可以增強(qiáng)神經(jīng)元的規(guī)格。

但是，這些結(jié)果都只是在測量神經(jīng)元標(biāo)記。要知道這些工程細(xì)胞是否確實能重現(xiàn)更多成熟神經(jīng)元的功能，就需要測試其傳輸電信號的能力。

為此，他們求助于Scott Soderling教授，George Barth Geller分子生物學(xué)研究杰出教授和杜克大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)系主任。Soderling實驗室的研究生Shataakshi Dube使用一種稱為膜片鉗電生理的技術(shù)來測量新形成的神經(jīng)元內(nèi)部的電信號。通過用非常小的移液管在細(xì)胞中戳一個小孔，她可以看到神經(jīng)元內(nèi)部，看看它是否正在傳輸稱為動作電位的電信號。如果是這樣，研究小組就知道神經(jīng)元細(xì)胞已經(jīng)成熟。實際上，為激活特定的一對轉(zhuǎn)錄因子基因而設(shè)計的神經(jīng)元在功能上更成熟，更頻繁地發(fā)出更多的動作電位。

杜貝說：“我對這些干細(xì)胞如何變成神經(jīng)元感到好奇，但對此表示懷疑，但是，看到這些程序化細(xì)胞看起來像正常神經(jīng)元的程度令人驚訝。”

從干細(xì)胞到成熟神經(jīng)元細(xì)胞的過程耗時7天，與其他耗時數(shù)周或數(shù)月的方法相比，大大縮短了時間。更快的時間表可能會較大地加快神經(jīng)疾病新療法的開發(fā)和測試。

創(chuàng)建更好的細(xì)胞將以多種方式幫助研究人員。像阿爾茨海默氏病，帕金森氏病和精神分裂癥這樣的疾病常見于成年人，并且難以研究，因為在實驗室中選擇合適的細(xì)胞具有挑戰(zhàn)性。這種新方法可以使研究人員更好地模擬這些疾病和其他疾病。它也可以幫助進(jìn)行藥物篩選，因為不同的細(xì)胞對藥物的反應(yīng)不同。

更廣泛地講，用于篩選轉(zhuǎn)錄因子基因和基因網(wǎng)絡(luò)的相同方法可用于改進(jìn)制備任何細(xì)胞類型的方法，這對于再生醫(yī)學(xué)和細(xì)胞療法可能是可轉(zhuǎn)化的。

例如，Gersbach的小組報告了一種使用基于CRISPR的基因激活將人類干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為肌肉祖細(xì)胞的方法，這種方法可以在今年早些時候再生受損的骨骼肌組織。

格斯巴赫說：“這項工作的關(guān)鍵是開發(fā)利用基于CRISPR的DNA靶向的能力和可擴(kuò)展性的方法，將任何功能編程到任何細(xì)胞類型中。” “通過利用已經(jīng)在我們的基因組中編碼的基因網(wǎng)絡(luò)，我們對細(xì)胞生物學(xué)的控制得到了較大的改善。”

來源：生物幫

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