在神经元中调整的CRISPR为科学家探索脑部疾病提供了新的力量
加州大学旧金山分校和美国国立卫生研究院的一个科学家团队已经实现了CRISPR的另一个第一，这可能会从根本上改变科学家研究脑部疾病的方式。
在8月15日发表在该杂志上的一篇论文中神经元研究人员描述了一种技术，该技术使用加州大学旧金山分校开发的一种特殊版本的CRISPR来系统地改变细胞的活动基因在人类神经元中产生的干细胞这是干细胞衍生细胞类型和CRISPR筛选技术的首次成功合并。
尽管已知突变和其他基因变异与许多人的患病风险增加有关神经系统疾病在美国，技术瓶颈阻碍了科学家们了解这些基因究竟是如何产生作用的努力疾病．
“在这项研究之前，存在着重大的限制，限制了科学家在实验室中对人类神经元的研究，”马丁·坎普曼博士说，他是UCSF神经退行性疾病研究所的副教授，CZ生物中心研究员，新研究的共同高级作者。
首先，直到最近，科学家还没有办法可靠地获取人类的数据大脑Kampmann解释说，这是一种可以用于高级实验室实验的细胞。Kampmann也是加州大学旧金山分校威尔神经科学研究所的成员。接受过切除脑组织治疗癫痫或脑癌的患者捐献的神经元是可能的。但这些样本只能存活几天。你不能在寿命较短的神经元上进行探测基因功能的实验。”
相反，科学家们通常依赖于大脑疾病的动物模型，这可能无法捕捉到人类神经生物学的许多细微差别。
2006年，当京都大学和加州大学附属格莱斯顿研究所的医学博士、博士山中伸弥(Shinya Yamanaka)发现了一种方法，可以将发育时钟倒转，将成年细胞转变为干细胞，在一些诱导下，可以转化为身体中发现的任何类型的细胞——包括神经元——时，取得了突破。这些“诱导多能干细胞”(iPSCs)使人类大脑细胞广泛用于实验室研究。
6年后，当CRISPR基因编辑系统问世时，科学家们以为他们终于拥有了操纵人类神经元基因所需的所有工具，并确定它们是如何导致神经疾病的。
但科学家很快发现，CRISPR系统的dna切割机制，一种被称为Cas9的酶，不能很好地与iPSCs混合。“干细胞有非常活跃的DNA损伤反应。当Cas9只产生一到两个DNA切割时，它就会导致毒性，导致细胞死亡，”Kampmann说。
因此Kampmann决定解决毒性问题。作为加州大学旧金山分校Jonathan Weissman博士实验室的博士后，Kampmann与人合作发明了一种名为CRISPRi(意为“干扰”)的工具，这是CRISPR技术的一种改良形式，其中Cas9酶已被灭活。当CRISPRi找到它正在寻找的基因时，它会抑制其活性而不做任何切割。因此，与标准的CRISPR-Cas9不同，Kampmann预测，CRISPRi不应该对iPSCs或干细胞衍生的神经元有毒。
在这篇新论文中，Kampmann和他的合作者描述了他们如何将CRISPRi用于人类ipsc和ipsc衍生的神经元，并发现它可以在不杀死细胞的情况下靶向和干扰基因——这一壮举长期以来一直困扰着科学家。
利用这个系统，研究人员展示了他们的技术如何被用来寻找可能导致或有助于大脑疾病的基因。例如，他们发现了专门延长神经元寿命的基因，但对iPSCs或癌细胞没有类似的影响。他们还发现了增加神经突数量的基因——神经突是一种从神经元中生长并传递神经信号的突起——并决定了它们分支的频率。
但最令人惊讶的发现之一是发现“家务管理”基因——已知对生存至关重要，但被认为在所有细胞中起相同作用——实际上在神经元和干细胞中表现不同。当研究人员干扰这两种细胞类型中相同的家务管理基因时，细胞的反应是激活(或灭活)一组截然不同的基因。这一结果表明，与公认的智慧相反，家务管理基因可能在不同的环境中起着不同的作用细胞类型Kampmann和他的实验室渴望进一步探索这一想法，因为这些差异可能在疾病中发挥重要作用。
Kampmann现在正在利用这项技术研究不同类型的神经元，试图确定为什么某些疾病只选择性地影响神经元的一个子集，比如肌萎缩性侧索硬化症患者的运动神经元被选择性损伤的方式。他还将研究范围扩大到其他类型的脑细胞，包括星形胶质细胞和小胶质细胞，科学家最近才发现如何从人类的iPSCs中产生这些细胞。
但最终的目标是把这项结合了CRISPRi和iPSCs的技术变成一种工具，发现急需的治疗脑部疾病的新疗法。
“该领域面临的一大挑战是，对于大多数这些疾病，我们应该针对药物开发的精确分子途径仍然不清楚，”迈克尔·沃德(Michael Ward)医学博士说，他是这项新研究的共同高级作者，也是美国国立卫生研究院的一名内科科学家。
“有了这项技术，我们可以从患有阿尔茨海默症等神经退行性疾病的患者身上提取皮肤或血细胞，把它们变成神经元或者其他大脑细胞Kampmann说:“我们正在研究哪些基因控制着与这种疾病相关的细胞缺陷。”“这些信息可以让我们确定有效的治疗靶点。”
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