研究人員使用CRISPR-一種革命性的新基因工程技術(shù) - 將從小鼠結(jié)締組織分離的細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化為神經(jīng)細(xì)胞。2006年，當(dāng)時京都大學(xué)邊境醫(yī)學(xué)研究所教授山中伸彌(Shinya Yamanaka)發(fā)現(xiàn)了如何將稱為成纖維細(xì)胞的成體結(jié)締組織細(xì)胞恢復(fù)為可以分化成任何細(xì)胞類型的未成熟干細(xì)胞。這些所謂的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞因其在研究和醫(yī)學(xué)方面的承諾而在六年后贏得了Yamanaka的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。

從那以后，研究人員發(fā)現(xiàn)了在不同類型之間轉(zhuǎn)換細(xì)胞的其他方法。這主要是通過引入許多額外的“主開關(guān)”基因拷貝來完成的，這些基因產(chǎn)生蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)打開了負(fù)責(zé)產(chǎn)生特定細(xì)胞類型的整個遺傳網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)在，杜克大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種策略，可以避免需要額外的基因拷貝。相反，使用CRISPR基因工程技術(shù)的修改來直接打開已經(jīng)存在于基因組中的天然拷貝。

這些早期結(jié)果表明，新轉(zhuǎn)化的神經(jīng)元細(xì)胞顯示出比將新基因永久添加到基因組中的方法更完整和持久的轉(zhuǎn)化。這些細(xì)胞可用于模擬神經(jīng)系統(tǒng)疾病，發(fā)現(xiàn)新療法，開發(fā)個性化藥物，并可能在未來實施細(xì)胞療法。

該研究于2016年8月11日發(fā)表在Cell Stem Cell雜志上。

“這項技術(shù)在科學(xué)和醫(yī)學(xué)方面有很多應(yīng)用。例如，我們可能對大多數(shù)人的神經(jīng)元對藥物的反應(yīng)有一個大概的了解，但我們不知道你的特定神經(jīng)元如何對你的特定神經(jīng)元有反應(yīng)，”查爾斯格斯巴赫，魯尼家族生物醫(yī)學(xué)工程副教授，杜克生物分子與組織工程中心主任。“采取大腦活檢來測試你的神經(jīng)元不是一種選擇。但如果我們可以從你的手臂取一個皮膚細(xì)胞，把它變成一個神經(jīng)元，然后用各種藥物組合治療它，我們就可以確定一個最佳的個性化治療方法。 “

“挑戰(zhàn)在于有效地生成穩(wěn)定的神經(jīng)元并具有看起來像真正神經(jīng)元的遺傳編程，”領(lǐng)導(dǎo)這項工作的Gersbach實驗室的研究生Joshua Black說。“這一直是這一領(lǐng)域的主要障礙。”

20世紀(jì)50年代，為發(fā)育生物學(xué)奠定基礎(chǔ)的英國發(fā)育生物學(xué)家Conrad Waddington教授認(rèn)為，將未成熟的干細(xì)胞分化為特定類型的成體細(xì)胞可以被認(rèn)為是從山脊的一側(cè)滾下到許多山谷中的一個。 。對于每個路徑，單元格取下特定的斜率，其最終目的地的選項變得更加有限。

如果你想改變那個目的地，一個選擇是將細(xì)胞垂直推回山上 - 這就是將細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的想法。另一種選擇是將其水平向上推，越過山丘，直接進(jìn)入另一個山谷。

“如果你有能力專門打開所有的神經(jīng)元基因，也許你不必回到山上，”格斯巴赫說。

以前的方法通過引入注射額外拷貝基因的病毒來實現(xiàn)這一目的，以產(chǎn)生大量稱為主轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)。每種細(xì)胞類型都是獨特的，這些蛋白質(zhì)與基因組中的數(shù)千個位點結(jié)合，打開了這種細(xì)胞類型的特定基因網(wǎng)絡(luò)。然而，這種方法有一些缺點。

“不是使用病毒永久性地引入現(xiàn)有基因的新拷貝，而是提供一種能以穩(wěn)定方式改變細(xì)胞類型的臨時信號，”Black說。“然而，以有效的方式這樣做可能需要對細(xì)胞的遺傳程序進(jìn)行非常具體的改變。”

在這項新研究中，Black，Gersbach及其同事使用CRISPR精確激活三種基因，這三種基因自然產(chǎn)生控制神經(jīng)元基因網(wǎng)絡(luò)的主轉(zhuǎn)錄因子，而不是讓病毒引入這些基因的額外拷貝。

CRISPR是細(xì)菌防御系統(tǒng)的修改版本，其靶向并切割熟悉的入侵病毒的DNA。然而，在這種情況下，系統(tǒng)已被調(diào)整，因此不涉及切片。相反，識別特定DNA片段的機(jī)器保持完整，并且它已被連接到基因激活劑上。

在實驗室中將CRISPR系統(tǒng)施用于小鼠成纖維細(xì)胞。測試表明，一旦被CRISPR激活，三個神經(jīng)元主轉(zhuǎn)錄因子基因就可以強(qiáng)有力地激活神經(jīng)元基因。這導(dǎo)致成纖維細(xì)胞傳導(dǎo)電信號 - 神經(jīng)細(xì)胞的標(biāo)志。甚至在CRISPR激活劑消失后，細(xì)胞仍保留其神經(jīng)元特性。

“當(dāng)使用由病毒制造的主轉(zhuǎn)錄因子對細(xì)胞進(jìn)行爆破時，有可能使細(xì)胞表現(xiàn)得像神經(jīng)元一樣，”格斯巴赫說。“但如果他們真正成為自主運作的神經(jīng)元，那么他們就不應(yīng)該要求持續(xù)存在外部刺激。”

實驗表明，新的CRISPR技術(shù)產(chǎn)生的神經(jīng)元細(xì)胞在靶基因上具有表觀遺傳程序，與小鼠腦組織中天然存在的神經(jīng)元標(biāo)記相匹配。

“用病毒引入額外遺傳拷貝的方法產(chǎn)生了許多轉(zhuǎn)錄因子，但這些基因的原生拷貝很少，”布萊克解釋說。“相比之下，CRISPR方法總體上并沒有產(chǎn)生盡可能多的轉(zhuǎn)錄因子，但它們都是從正常的染色體位置產(chǎn)生的，這是一個強(qiáng)大的差異，因為它們被穩(wěn)定激活。我們正在翻轉(zhuǎn)表觀遺傳轉(zhuǎn)換來轉(zhuǎn)換細(xì)胞類型而非驅(qū)使它們綜合起來。“

根據(jù)布萊克的說法，接下來的步驟是將方法擴(kuò)展到人體細(xì)胞，提高技術(shù)的效率，并嘗試清除其他表觀遺傳障礙，以便它可以應(yīng)用于模擬特定疾病。

“在未來，你可以想象制造神經(jīng)元并將它們植入大腦以治療帕金森病或其他神經(jīng)退行性疾病，”格斯巴赫說。“但即使我們沒有達(dá)到那么遠(yuǎn)，你可以在實驗室里做很多事情來幫助開發(fā)更好的治療方法。”