腺相關(guān)病毒工具箱幾乎可以針對任何類型的腦細胞

一個不斷增長的病毒工具箱使得在大腦和脊髓的特定細胞類型中表達基因成為可能。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)域幾乎任何細胞類型的病毒，巴塞爾分子和臨床眼科學研究所的創(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)與基于基因表達相似性識別細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，然后他們在小鼠中篩選AAV。最有希望的病毒——那些只在一種細胞類型中表達幾乎所有熒光蛋白的病毒——經(jīng)過進一步測試，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院麥戈文研究所（Massachusetts Institute of Technology’s McGovern Institute）的大腦和認知科學教授Ann Graybiel說 ，她沒有參與這項研究。“已經(jīng)對進化生物學產(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，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胞。幫助開發(fā)工具包的艾倫腦科學研究所副研究員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)元中表達的鈉通道，其突變會導致一種名為德拉韋綜合征的嚴重癲癇。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。

或者科學家研究選擇的細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?！澳阏娴暮喕俗鲞@類研究的范式，”Ting說。

艾倫腦科學研究所（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的，但科學家可以利用病毒工具在動物生命的特定階段在特定細胞類型中表達基因。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)基梅隆大學計算生物學副教授Andreas Pfenning說，他沒有參與這項工作。Pfenning說：“真正酷的是超越老鼠，進入更適合某些事物的模型?！?/span>

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。Pfenning解釋說，因為細胞吸收不同數(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胞的增強劑——AAVs，其行為會減少50%，這可能意味著一些目標細胞仍然活躍，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?！?/span>

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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