腺相关病毒工具箱几乎可以针对任何类型的脑细胞

　　无害的病毒包裹着被称为增强子的短的非编码DNA元素，使特定细胞类型的基因能够在啮齿动物和灵长类动物的中枢神经系统中传递。

　　

一个不断增长的病毒工具箱使得在大脑和脊髓的特定细胞类型中表达基因成为可能。一些腺相关病毒（AAVs）的数据在艾伦研究所的遗传工具图谱中提供，该图谱于9月发布，其中一些病毒可以购买。根据bioRxiv在过去14个月里发布的一系列预印本，这些工具可以帮助揭示细胞类型如何影响皮质功能和神经系统疾病。

通过他们系统细致的工作，艾伦研究所的研究人员已经制造出了针对任何大脑区域几乎任何细胞类型的病毒，巴塞尔分子和临床眼科学研究所的创始主任和高级小组组长Botond Roska说，他没有参与这项工作。“这非常、非常重要，”他补充道。

艾伦研究所在2021年设计了第一批这些AAVs-选择性兴奋性投射神经元和表达小蛋白的神经元-从那时起就一直在扩大收集范围。最近增加的病毒包括针对大脑皮层、纹状体和脊髓中的各种胶质细胞和额外的神经元亚型的病毒。

每一种病毒都配备了一种叫做增强子的短基因调控元件，它通过招募在选定的细胞类型中发现的蛋白质来激活基因。为了在小鼠中枢神经系统中识别这些细胞类型特异性增强子，该研究所的研究人员将来自ATAC-seq（一种检测基因组可访问区域的方法）的数据与基于基因表达相似性识别细胞亚型的单核测序数据结合起来。

研究小组确定了多个候选增强子，并将每个增强子包装成AAV，这样它就可以控制荧光蛋白基因的表达，然后他们在小鼠中筛选AAV。最有希望的病毒——那些只在一种细胞类型中表达几乎所有荧光蛋白的病毒——经过进一步测试，通常发现对大鼠和非人类灵长类动物也有效。

“这是一个了不起的资源库，”安布耶尔他是麻省理工学院麦戈文研究所（Massachusetts Institute of Technology’s McGovern Institute）的大脑和认知科学教授Ann Graybiel说 ，她没有参与这项研究。“已经对进化生物学产生了非常令人兴奋的影响。   ”

例如，通过优化GABA能神经元特异性增强子AAVs的表达，研究人员已经在手术中从人的脑组织中取出了多种GABA能细胞类型。将他们的列表与小鼠中发现的GABA能神经元类型进行比较，研究小组发现了啮齿动物中没有的人类大脑细胞。帮助开发工具包的艾伦脑科学研究所副研究员Jonathan Ting说，这样的研究可以“更好地理解是什么使我们成为独特的人类”。

同样的GABA能增强子已经被用在两种病毒中，这两种病毒都携带SCN1A的一部分，SCN1A是一种太大而无法装入单个病毒载体的基因。该基因编码一种在抑制性中间神经元中表达的钠通道，其突变会导致一种名为德拉韦综合征的严重癫痫。根据一项未发表的研究，模拟这种情况的小鼠通常会过早死亡，但当它们同时接受两种SCN1A病毒治疗时，所有动物都存活到成年，并且癫痫发作的次数减少了。

或者科学家研究选择的细胞类型如何影响行为，增强子-AAVs可以避免培育转基因小鼠的耗时过程。“你真的简化了做这类研究的范式，”Ting说。

艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）的助理研究员Tanya Daigle帮助构建了AAVs，她说，病毒提供了转基因动物所缺乏的时间控制元素。虽然转基因是从受孕开始表达的，但科学家可以利用病毒工具在动物生命的特定阶段在特定细胞类型中表达基因。戴格尔说，这可以“为某些实验提供所需的微调”。

更重要的是，转基因小鼠并不总是最合适的模式生物。例如，啮齿类动物不会自然产生与阿尔茨海默病相关的斑块和缠结，但科学家们还是使用它们，因为研究它们状况的遗传工具已经建立起来，卡内基梅隆大学计算生物学副教授Andreas Pfenning说，他没有参与这项工作。Pfenning说：“真正酷的是超越老鼠，进入更适合某些事物的模型。”

基因疗法的发展也要求研究从小鼠转移到灵长类动物。事实上，大多数为小鼠开发的增强型AAVs在猕猴和人类神经外科组织中表现出相同的细胞类型特异性。其中一种工具将两个增强子缝合在一起，同时靶向与猕猴大脑肌萎缩侧索硬化症（ALS）有关的上下脊髓运动神经元。Daigle和Ting说，将这种工具与设计用于穿透血脑屏障而避开肝脏的衣壳结合起来，有一天可能会产生一种副作用最小的ALS基因疗法。

然而，至少在一些实验中，转基因小鼠占了上风。Pfenning解释说，因为细胞吸收不同数量的病毒颗粒，或者根本不吸收，所以通常很难解释实验结果。例如，如果一种被设计用来抑制特定类型脑细胞的增强剂——AAVs，其行为会减少50%，这可能意味着一些目标细胞仍然活跃，或者其他回路也参与其中。Pfenning 说：“如果你没有完全减少或抑制人口，就很难做出这些绝对主义的主张。”

研究人员说，这些病毒可以结合使用，而不是取代转基因小鼠，或者填补不存在用于特定细胞类型的转基因动物的空白。Ting说，他和他的同事们计划将下一步的工作重点放在这方面，通过给转基因小鼠补充增强型AAVs，以越来越有针对性地操纵特定的大脑回路。“我不认为单独使用增强病毒是有效的。关键是如何利用它们来扩展我们已经知道的东西，并深入研究。”