【原】大腦類器官奠基人最新研究！首次揭示人腦大小背后的奧秘，有望突破自閉癥等疾病機(jī)理丨獨(dú)家專訪

生輝 2021-05-18

展開全文

近期，奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所（IMBA）尤爾根?克諾布利奇（Jürgen A. Knoblich）研究團(tuán)隊(duì)再出突破性研究：他們開發(fā)了一項(xiàng)命名為 “CRISPR-LICHT” 的基因篩選新技術(shù)，利用該技術(shù)不僅在大腦類器官中識(shí)別出 25 個(gè)可導(dǎo)致小頭癥（microcephaly）的未知致病基因，還首次確定了參與控制大腦大小的特定機(jī)制，相關(guān)論文已于 10 月 29 日發(fā)表在 Science 上。

圖 | 尤爾根?克諾布利奇（Jürgen A. Knoblich）教授，他于 1963 年出生于德國(guó)，1994 年在馬克斯?普朗克研究所獲得博士學(xué)位，并在加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）進(jìn)行博士后研究，目前任 IMBA 科學(xué)主任，被評(píng)為歐洲科學(xué)院院士、奧地利科學(xué)院院士等（來源：biozentrum）

2013 年，克諾布利奇及其實(shí)驗(yàn)室的博士后瑪?shù)铝?蘭卡斯特（Madeline Lancaster）在 Nature 上發(fā)表了一個(gè)轟動(dòng)性的研究成果：他們通過人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）首次分化形成大腦類器官并用于小頭癥研究，并率先證明了類器官可用于模擬人類疾病，這一突破被 Science 雜志評(píng)為 “2013 年十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)” 之一，被《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)為 “2015 年十大突破技術(shù)” 之一。

生輝獨(dú)家專訪了克諾布利奇教授，他和我們分享了本次研究的突破和意義，并展望了大腦類器官的未來發(fā)展。

首次展示了控制大腦大小的內(nèi)在機(jī)制

小頭癥即頭小畸形，指的是新生兒的頭圍相對(duì)于其年齡與性別的平均值小三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上，多是由于一種常染色體畸變，或胎兒在妊娠早期受放射線照射或?qū)m內(nèi)感染而引起。

圖｜正常大腦與患小頭癥的大腦對(duì)比（來源：Stanford Medicine）

幾十年來，科學(xué)家們一直依賴小動(dòng)物作為模型，來了解人類大腦的發(fā)育情況。但事實(shí)證明，我們的大腦并不是嚙齒動(dòng)物大腦的放大版。比如說，小鼠的大腦表面是光滑的，不像人腦那樣擁有無數(shù)的褶皺。另外，嚙齒類動(dòng)物在出生時(shí)就有一個(gè)相對(duì)完整的大腦，其中大部分神經(jīng)元都在其中，而人類兒童在出生后才會(huì)在大腦皮層中形成大量神經(jīng)元。

“有一些過程只能發(fā)生在人類大腦中，在小鼠大腦里無法察覺，這是導(dǎo)致人類大腦如此強(qiáng)大的原因。與此同時(shí)，這也帶來了一個(gè)非常大的醫(yī)學(xué)問題：我們?cè)撊绾窝芯磕切┲话l(fā)生在人類身上的過程”，克諾布利奇說：“我有果蠅遺傳學(xué)的背景，通過果蠅的基因篩查，我們基本上發(fā)現(xiàn)了所有在發(fā)育過程中重要的信號(hào)通路。因此，我們的夢(mèng)想是為人體組織建立類似的篩查方法，這是我們的研究初衷。”

克諾布利奇對(duì)生輝表示，此次研究有 3 個(gè)重要意義：

首先，研究人員開發(fā)的 “CRISPR-LICHT” 基因篩選技術(shù)可以利用基因編輯對(duì) DNA 進(jìn)行切割，可在 3D 人腦類器官組織中進(jìn)行并行功能喪失（LOF）研究，且可用于任何類型的類器官以及該類類器官內(nèi)的任何細(xì)胞類型；

其次， 研究團(tuán)隊(duì)表征了 IER3IP1 調(diào)節(jié)的未折疊的蛋白應(yīng)答（UPR）和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）蛋白質(zhì)分泌對(duì)于組織完整性的重要性，上述要素失調(diào)會(huì)導(dǎo)致小頭畸形；

最后，研究團(tuán)隊(duì)首次展示了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及其信號(hào)通路在控制大腦大小和導(dǎo)致小頭癥方面的作用。

圖｜實(shí)驗(yàn)過程（來源：A human tissue screen identifies a regulator of ER secretion as a brain size determinant）

克諾布利奇對(duì)生輝介紹道：“在組織中進(jìn)行系統(tǒng)性的功能缺失篩查，最大的挑戰(zhàn)在于不同的干細(xì)胞會(huì)增殖到不同的水平。在傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)中，細(xì)胞與細(xì)胞之間沒有聯(lián)系或聯(lián)系有限，因此生長(zhǎng)比較均勻。如果組織中的細(xì)胞生長(zhǎng)不均勻，會(huì)掩蓋由候選基因丟失引起的潛在生長(zhǎng)缺陷。這也是本次研究中的最大挑戰(zhàn)?！?/span>

于是，研究團(tuán)隊(duì)將 CRISPR-Cas9 技術(shù)與雙條形碼方法（combination of barcoding methods）相結(jié)合，來克服這一挑戰(zhàn)?！盎旧希總€(gè)用于生長(zhǎng)類器官的細(xì)胞都有一個(gè)獨(dú)特的條形碼。當(dāng)大腦類器官被建立后，我們使用 PCR 技術(shù)插入另一個(gè)條形碼來標(biāo)記每個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞，并對(duì)每個(gè)用于篩選一組目標(biāo)基因的引導(dǎo) RNA（guide-RNA）進(jìn)行條形碼標(biāo)記。通過這個(gè)方法，我們?yōu)槊恳粋€(gè)被分析的類器官建立了一個(gè)完整的譜系樹，讓我們可以計(jì)算每個(gè)起始細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞數(shù)量?！?克諾布利奇解釋道。

雖然在小頭癥的致病基因篩查上，研究團(tuán)隊(duì)再次向前邁了一步，但克諾布利奇表示，由于小頭癥是一種發(fā)生在胎兒發(fā)育早期的罕見疾病，通常在孕晚期及出生后被確診，研究結(jié)果并不能直接給出小頭癥的治療方案，僅有助于闡明小頭癥的致病原因。

下一步，研究團(tuán)隊(duì)希望利用 CRISPR-LICHT 來篩選更多可能與其他大腦發(fā)育障礙相關(guān)的基因?？酥Z布利奇表示，除小頭癥，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始針對(duì)自閉癥進(jìn)行研究。

大腦類器官是研究人類大腦發(fā)育的最好方法

由于人類的大腦發(fā)育過程無法在實(shí)驗(yàn)室中研究，大腦類器官成為研究人類大腦發(fā)育的模型系統(tǒng)。對(duì)于大腦類器官奠基人克諾布利奇來說，在神經(jīng)發(fā)育領(lǐng)域，大腦類器官已經(jīng)能展現(xiàn)出很強(qiáng)的研究替代性。

不過，克諾布利奇強(qiáng)調(diào)，類器官只能是研究補(bǔ)充而不是取代動(dòng)物模型。類器官能夠做的是使研究人員更有針對(duì)性地進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，或者更快地從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中獲得結(jié)果，以更有針對(duì)性的方式迅速傳遞給患者。

圖｜大腦類器官的著色橫切面（來源：MRC Laboratory of Molecular Biology）

雖然現(xiàn)在很多神經(jīng)科學(xué)家認(rèn)為，人腦類器官可能是理解自閉癥和精神分裂癥等人類獨(dú)特病癥的關(guān)鍵，但對(duì)于人腦類器官仍然存在一些盲點(diǎn)：

首先，神經(jīng)科學(xué)家尚未達(dá)成共識(shí)去定義和衡量意識(shí)；

其次，幾乎所有的科學(xué)家和倫理學(xué)家都同意，到目前為止，還沒有人在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出意識(shí)。

基于此，克諾布利奇表示：“大腦類器官無法重述行為，也無法指出哪些細(xì)胞類型參與了特定的行為模式。但我相信，大腦類器官有可能徹底改變藥物的研發(fā)過程，特別是針對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病。”

目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)催生了一批初創(chuàng)公司的誕生。海外市場(chǎng)上，Cellular Dynamics、StemCells 等公司均提供上述大腦類器官藥物篩選模型服務(wù)；國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中，創(chuàng)芯國(guó)際、霍德生物處于行業(yè)領(lǐng)先地位。未來，通過利用直接從病人身上提取的細(xì)胞創(chuàng)造類器官，研究人員有可能發(fā)現(xiàn)每種疾病背后特殊的大腦結(jié)構(gòu)的變化，有助于開發(fā)出個(gè)性化治療方法。

“我認(rèn)為在未來五年內(nèi)，類器官技術(shù)將達(dá)到可以研究某些重大疾病的水平。如果我們?cè)诨颊唧w內(nèi)發(fā)現(xiàn)某種基因突變，并認(rèn)為這與某種疾病相關(guān)，就可以對(duì)此進(jìn)行篩選和測(cè)試?！?克諾布利奇表示：“大腦類器官是研究人類大腦發(fā)育的最好方法，將使我們獲得更深的遺傳學(xué)理解，我們每前進(jìn)一步，就有可能在更多的疾病領(lǐng)域有所突破，將致病相關(guān)性轉(zhuǎn)化成因果關(guān)系?！?/span>

“最重要的是，了解大腦內(nèi)部究竟是什么變化使我們與其他動(dòng)物不同，可能會(huì)幫助我們找到人類之所以成為人類的真相?！?/span>

參考：

https://science./content/early/2020/10/28/science.abb5390

https://www./2020/10/30/new-screening-technique-turns-up-genes-tied-to-microcephaly-scientists-say-and-could-be-used-for-other-developmental-disorders/

https://www./news/crispr-screen-for-human-organoids-doubles-genes-linked-to-microcephaly/

https://www./news/stem-cells-take-root-in-drug-development-1.10713

https://www./view/title/523194?tab_body=toc

https://www./articles/d41586-020-02986-y

https://www./jurgen-knoblich-talks-organoids.html

-End-