我們體內(nèi)的每一個(gè)細(xì)胞都攜帶著幾乎完全相同的基因組，但不同細(xì)胞在不同環(huán)境中的形態(tài)和功能卻天差地別，這是由于一類被稱為“轉(zhuǎn)錄因子”的特殊蛋白質(zhì)控制著基因的表達(dá)與沉默。如果能弄清楚這些轉(zhuǎn)錄因子如何影響細(xì)胞的行為和命運(yùn)，就有可能通過(guò)干預(yù)控制疾病的發(fā)展。

4月24日，國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了一項(xiàng)來(lái)自中國(guó)的突破性研究。中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（腦智卓越中心）周海波研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)可在活體動(dòng)物體內(nèi)大規(guī)模篩選基因功能的新技術(shù)，并利用該技術(shù)首次系統(tǒng)性繪制了大腦內(nèi)一類關(guān)鍵細(xì)胞——星形膠質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子功能圖譜，從中篩選并驗(yàn)證了能夠改善阿爾茨海默病癥狀的全新潛在治療靶點(diǎn)。

大腦的“后勤管家”

一提到神經(jīng)系統(tǒng)疾病，人們最先想到的往往是神經(jīng)元的死亡與受損。然而，在大腦之中，還有數(shù)量龐大的各種其他細(xì)胞，如具有免疫功能的小膠質(zhì)細(xì)胞、負(fù)責(zé)血流調(diào)節(jié)的周細(xì)胞等，它們都在健康與疾病中扮演重要的角色，也已經(jīng)成為科學(xué)家們攻克神經(jīng)退行性疾病重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

在這些細(xì)胞中，星形膠質(zhì)細(xì)胞因其星形的獨(dú)特外觀而得名，它們像后勤管家一樣，為神經(jīng)元提供營(yíng)養(yǎng)與支持，并參與神經(jīng)信號(hào)的傳遞與調(diào)控。然而，這位管家也有“黑化”的可能。

“當(dāng)大腦遭遇疾病、感染或損傷時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)迅速反應(yīng)，進(jìn)入一種反應(yīng)性狀態(tài)。”該研究的通訊作者、腦智卓越中心研究員周海波介紹，“在阿爾茨海默病、帕金森病等多種神經(jīng)退行性疾病中，這些細(xì)胞甚至?xí)兊镁哂猩窠?jīng)毒性，非但不再保護(hù)神經(jīng)元，反而會(huì)釋放毒素，加速疾病的惡化?！?/p>

正因如此，調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)，使其回歸正常，已成為神經(jīng)疾病治療領(lǐng)域極具潛力的前沿方向。但問(wèn)題在于，細(xì)胞的功能由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的基因共同決定，其中轉(zhuǎn)錄因子扮演著“總開(kāi)關(guān)”的角色。大腦中到底有哪些“開(kāi)關(guān)”在影響星形膠質(zhì)細(xì)胞的行為？這是一個(gè)未知的領(lǐng)域。

通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)探索基因功能

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，檢驗(yàn)基因功能的基本思路是人為地讓細(xì)胞的某個(gè)基因缺失或者過(guò)表達(dá)，再觀察這些細(xì)胞的行為和狀態(tài)有哪些變化。但是，我們的基因組內(nèi)有超過(guò)兩萬(wàn)個(gè)蛋白編碼基因，一個(gè)個(gè)研究幾乎是不可能完成的任務(wù)。

為了解決這一難題，近年來(lái)科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了“擾動(dòng)測(cè)序”（Perturb-seq）技術(shù)。該技術(shù)將大量針對(duì)不同基因且?guī)е?dú)特“條形碼”的“向?qū)NA”導(dǎo)入一大片細(xì)胞中，再通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)對(duì)每個(gè)細(xì)胞進(jìn)行基因測(cè)序。根據(jù)條形碼，科學(xué)家可以了解每個(gè)細(xì)胞受擾動(dòng)的基因，最后通過(guò)基因組變化來(lái)推斷功能。

雖然這種實(shí)驗(yàn)可以一次測(cè)試成百上千個(gè)基因擾動(dòng)，但以往大多在培養(yǎng)皿里的細(xì)胞上（體外）進(jìn)行，無(wú)法真實(shí)反映活體大腦復(fù)雜的生理與病理環(huán)境。“體外環(huán)境在很多情況下不能模擬真實(shí)的疾病狀態(tài)，所以我們必須要在體內(nèi)做。但要在活體動(dòng)物的大腦里同時(shí)檢查成百上千個(gè)基因，技術(shù)難度極高?！敝芎２ㄕf(shuō)。

為此，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)三年，自主開(kāi)發(fā)了一套名為“iGOF-Perturb-seq”的體內(nèi)高通量功能獲得性擾動(dòng)測(cè)序平臺(tái)。研究人員挑選了約1000種轉(zhuǎn)錄因子，將它們分別裝入經(jīng)過(guò)改造的腺相關(guān)病毒（AAV）中。每個(gè)病毒不僅攜帶了一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，還帶上了獨(dú)一無(wú)二的分子條形碼。

隨后，他們將這包含上千種病毒的“雞尾酒”注射到小鼠體內(nèi)，通過(guò)特異性設(shè)計(jì)讓病毒精準(zhǔn)感染大腦中的星形膠質(zhì)細(xì)胞。一段時(shí)間后，研究人員提取小鼠的腦組織進(jìn)行單細(xì)胞測(cè)序。通過(guò)讀取每個(gè)細(xì)胞的條形碼，就能準(zhǔn)確知道是哪個(gè)基因開(kāi)關(guān)被開(kāi)啟了。再通過(guò)分析該細(xì)胞的基因表達(dá)變化，便能獲知這個(gè)“開(kāi)關(guān)”的具體功能。

發(fā)現(xiàn)治療靶點(diǎn)

借助這一強(qiáng)大平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)成功獲得了總共近40萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的數(shù)據(jù)，繪制出了一幅星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子功能圖譜，清晰標(biāo)注了每個(gè)開(kāi)關(guān)能通往哪些功能道路。

“僅僅知道一個(gè)基因在正常狀態(tài)下的功能還不夠，我們更想知道能否通過(guò)它改變細(xì)胞在疾病中的狀態(tài)?！闭撐牡谝蛔髡邚堖B升說(shuō)。團(tuán)隊(duì)在一個(gè)模擬神經(jīng)炎癥的小鼠模型中，對(duì)初篩出的疾病相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行了第二輪測(cè)試，最終鎖定了一個(gè)名為Ferd3l的轉(zhuǎn)錄因子。

這個(gè)因子在阿爾茨海默病小鼠模型中的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中取得了令人振奮的結(jié)果。在全腦的星形膠質(zhì)細(xì)胞中特異性地開(kāi)啟Ferd3l后，小鼠的認(rèn)知功能和相關(guān)的病理指標(biāo)均得到了顯著改善。這不僅證明了該技術(shù)平臺(tái)的強(qiáng)大預(yù)測(cè)能力，也為阿爾茨海默病的治療提供了一個(gè)極具潛力的全新靶點(diǎn)。

研究人員也表示，目前該療法僅在小鼠疾病模型中獲得初步驗(yàn)證，距離臨床應(yīng)用仍有很大差距。其能否進(jìn)一步發(fā)展為安全有效的治療手段，尚需系統(tǒng)評(píng)估。例如，能否在大動(dòng)物模型中得到驗(yàn)證、其長(zhǎng)期安全性如何，以及相關(guān)靶點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)對(duì)人腦的有效遞送等關(guān)鍵問(wèn)題，仍有待進(jìn)一步研究。

這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)不止于阿爾茨海默病?！拔覀兘⒌钠鋵?shí)是一個(gè)可以預(yù)測(cè)多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病干預(yù)靶點(diǎn)的資源庫(kù)?！敝芎２ㄕf(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)平臺(tái)本身具有很強(qiáng)的普適性，未來(lái)只需更換不同的“基因開(kāi)關(guān)”庫(kù)或靶向不同的細(xì)胞類型（如神經(jīng)元），就能為更多疾病的研究提供支撐。

“我們會(huì)把數(shù)據(jù)公開(kāi)，讓全世界治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的科學(xué)家，甚至藥企，都能很方便地利用這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)去尋找他們感興趣的靶點(diǎn)?！敝芎２ㄕf(shuō)，“創(chuàng)新藥開(kāi)發(fā)最大的瓶頸之一就是缺少好靶點(diǎn)。我們這項(xiàng)工作恰恰提供了一個(gè)‘靶點(diǎn)寶庫(kù)’，希望能加速針對(duì)多種腦疾病的精準(zhǔn)干預(yù)方案的誕生。”