CRISPRi/CRISPRa筛选揭示可能导致痴呆的神经元特异性通路

　　全基因组CRISPR干扰和CRISPR激活筛选已被用于表明，通过触发脂褐素的形成，下调溶酶体蛋白原红蛋白会使人干细胞来源的神经元强烈敏感，而不是其他类型的细胞，脂褐素是衰老的一个标志，它会捕获铁，产生活性氧并引发铁垂病。

　　

加州大学旧金山分校(University of California, San Francisco)的研究人员通过整合基于crispr的功能基因组学和干细胞技术，发现了控制神经元对慢性氧化应激反应的途径，慢性氧化应激与神经退行性疾病有关。由Martin Kampmann博士领导的研究人员确定了人类干细胞产生的神经元中的单个基因在失活或激活后是如何影响神经元应对有毒含氧分子的能力的。

令他们惊讶的是，研究人员发现，如果编码溶酶体蛋白的基因被禁用，神经元对氧化应激变得更脆弱。这一发现于5月24日发表在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)杂志上，文章题为“Genome-wide CRISPRi/a screens in human neurons link lysosomal failure to ferroptosis”

这篇文章的作者写道:“出乎意料的是，通过触发脂褐素的形成，使神经元对氧化应激强烈敏感，而不是其他类型的细胞，脂褐素是衰老的一个标志，它会捕获铁，产生活性氧，引发铁下垂。”“我们还确定了与神经退行性疾病相关的基因扰动后神经元的转录组变化。”

这篇文章描述了加州大学旧金山分校的研究人员如何通过结合CRISPR失活(CRISPRi)和CRISPR激活(CRISPRa)机制的基因筛选来开启和关闭个体基因。这篇文章还断言，加州大学旧金山分校的研究人员是第一个在人类神经元中展示全基因组CRISPRi和CRISPRa筛选结果的人

这篇文章补充说，CRISPRi/CRISPRa方法可以应用于许多不同的人类细胞类型，而不仅仅是神经元。为了帮助实现这种可能性，南加州大学的研究人员建立了一个名为CRISPRbrain的数据共享库。

“这是揭示疾病基因背后机制的关键的下一步，”加州大学旧金山分校副教授坎普曼说。“有很多人类遗传学研究将特定基因与特定疾病联系起来。我们正在做的工作可以深入了解这些基因的变化是如何导致疾病的，并使我们能够针对它们进行治疗。”

为了识别可能与神经退行性疾病(如阿尔茨海默氏症和相关形式的痴呆症)有关的基因，Kampmann和他的同事们在单个基因被开启和关闭后，评估了干细胞产生的人类神经元。研究人员正在专门寻找基因表达的下游变化，这些变化会在细胞中产生氧化应激。这种压力被认为是导致神经退化的原因。

研究小组最有趣的发现之一是关闭一种名为原皂苷的蛋白质的基因，这种蛋白质通常帮助细胞回收废物，这大大增加了氧化应激水平。在神经元中，前皂苷与细胞中被称为溶酶体的部分有关，在溶酶体中生物分子和毒素被分类并以各种方式处理。

“乍一看，前皂苷应该与氧化分子无关，”Kampann指出。“它引起了我们的注意，因为这个基因最近被发现与帕金森病有关。真正令人兴奋的是，现在有了CRISPR屏幕的结果，我们有了一个基于细胞的模型来帮助我们理解这种联系背后的原因。”

研究小组随后开始了坎普曼所称的“侦探故事”，以找出缺乏前皂苷与神经退化之间的联系。研究人员发现，对该基因的抑制导致了一种名为“年龄色素”的物质的积累，这种物质在衰老细胞中可以看到，它们的溶酶体不再有效地降解物质。研究人员发现，年龄色素捕获了铁，产生活性氧分子，引发了铁中毒，这是一个铁依赖的过程，导致细胞死亡。

“通过简单地使一个基因失活，”坎普曼强调，“在短短几天内，我们就可以产生一个衰老的标志，而这通常需要几十年才能在人体中形成。”

Kampmann和他的同事观察到的一连串变化是特定于神经元的功能，并且只与一组条件有关。他说，这一结果为使用CRISPRi/CRISPRa进行类似的筛选提供了理由，以在神经元和其他类型的分化细胞中寻找引发其他类型疾病相关环境的变化。

为此，该团队创建了CRISPRbrain，这是一个开放获取的数据库，旨在让科学家共享和研究像当前研究中生成的这样的大规模数据集。然后，应用机器学习等先进计算技术，就可以在海量数据中检测出模式。

Kampmann说:“通过成为来自不同实验室和不同疾病背景的许多不同细胞类型筛选的共用数据，我们可以获得关键的大量信息。”“整合和交叉分析这一切有巨大的力量。”

加州大学旧金山分校的研究小组下一步将对从已知会导致神经退化的突变患者身上提取的干细胞制成的神经元进行类似的筛选，并观察其他在脑部疾病中发挥作用的细胞，如星形胶质细胞和小胶质细胞。

坎普曼希望这项技术和数据库能被广泛采用:“既然我们能以一种系统的方式做到这一点，我们就能真正解释基因如何导致疾病的潜在过程，并找到治疗这些疾病的途径。”