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新方法探测基因在大脑类器官中的功能

通过/ 2020年12月16日
多重染色的脑类器官;红色和绿色,表示细胞。
基因屏幕:用独特的DNA序列标记大脑类器官及其每个细胞(红色、绿色),使研究人员能够探索数百种类器官中的基因功能。

分子生物技术研究所

一种新的筛选技术使研究人员能够测试基因突变的影响用培养脑细胞的类器官球对大脑生长的影响。这可能会揭示自闭症相关基因在大脑发育中的作用。

为了确定控制细胞生长的基因,科学家们经常引入a各种破坏性突变然后测量它们是如何影响细胞增殖的。一种方法使用CRISPR将不同的“引导RNA”片段引入细胞池的技术。引导rna被整合到细胞的基因组中,并护送一种酶,如Cas9,到一个特定的点来切割DNA。一段时间后,研究人员对细胞的DNA进行测序,以确定每个引导RNA的丰度,并推断哪些改变了的基因与细胞增殖有关。

这些所谓的“功能丧失”筛选需要池中所有未突变的细胞以类似的速度生长——2D培养的细胞通常都是这样,但在大脑类器官培养的细胞则不是这样。

“有些起始细胞可以产生10个子细胞,有些则可以产生1000万个子细胞,”他说尤尔根•Knoblich他是奥地利维也纳奥地利科学院分子生物技术研究所的科学主任。这使得很难判断生长的差异是由突变造成的,还是由细胞间固有的变异造成的。

在这种新方法中,研究人员使用DNA条形码来标记单个有机体以及每个有机体中的每个细胞。这种条形码技术使研究人员能够追踪任何引导RNA在数百种类有机物中的作用,从而更清晰地了解其整体作用。

缺乏与小头症相关基因的功能性副本的大脑类器官,其结构蛋白(绿色)水平低于具有该基因功能性副本的大脑类器官。

蛋白质的途径:缺乏与小头症相关基因的功能性副本的大脑类器官(粉红色)(右图)的结构蛋白水平(绿色)低于具有该基因功能性副本的大脑类器官(左图)。

分子生物技术研究所

大脑条码:

这项技术,在11月科学的CRISPR-LICHT。首先,研究人员对人类干细胞进行改造,制造出一种dna切割酶Cas9。然后他们用病毒将一系列引导rna导入干细胞。引导rna被设计用来将破坏性突变引入相关基因。这些病毒还将一种独特的DNA标签或条形码带入每个细胞的基因组,使研究人员能够密切关注哪些细胞含有哪些引导rna。

然后,研究人员将干细胞分离,并将每个干细胞培养成一种有机类细胞。40天后,他们从每一种有机体中的单个细胞中提取DNA,并添加第二个条形码,这样就可以计算出每一种有机体有多少个细胞。然后,他们可以对DNA及其条形码进行排序,以确定由引导RNA引入的基因突变在多大程度上改变了一个有机体中的细胞数量。

研究小组使用CRISPR-LICHT对172个基因进行了筛选,这些基因都与小头畸形或头小有关,测试它们控制器官生长的能力。研究人员报告说,总的来说,25个基因的突变显著降低了细胞增殖,表明它们在这种情况下发挥了作用。这一发现几乎使与小头畸形有关的基因数量增加了一倍。

他们发现的许多基因在已知与小头症有关的生物过程中发挥作用,但也有一些参与了鲜为人知的途径,如调节来自内质网的蛋白质分泌,内质网是细胞的蛋白质工厂。与具有该基因功能副本的大脑类器官相比,缺少该基因功能副本的大脑类器官体积更小,结构蛋白水平也更低。

研究人员说,CRISPR-LICHT可以用来筛选其他基因功能,并可以帮助科学家破译与自闭症有关的基因是如何影响大脑类器官的。