人类大脑是否存在最终导致自闭症的致命弱点?有了一个革命性的新系统，结合了脑类器官技术和复杂的遗传学，研究人员现在可以在人类脑类器官的单细胞水平上全面测试并行的多种突变的影响。这项技术由奥地利科学院分子生物技术研究所(IMBA)的Knoblich小组和苏黎世联邦理工学院的Treutlein小组的研究人员开发，可以识别自闭症谱系障碍背后的脆弱细胞类型和基因调控网络。这种创新的方法对挑战人类大脑的最复杂的疾病之一提供了无与伦比的见解，给自闭症临床研究带来了急需的希望。研究结果发表在9月13日的《自然》杂志上。
与其他动物物种相比，人类的大脑通过发展依赖于人类特有的过程，使我们能够建立一个复杂的分层和连接的皮层。这些独特的过程也使人类更容易患上神经发育障碍。例如，许多具有患自闭症谱系障碍(ASD)高风险的基因对大脑皮层发育至关重要。尽管临床研究已经表明多种基因突变和自闭症之间存在因果关系，但研究人员仍然不明白这些突变是如何导致大脑发育缺陷的——而且由于人类大脑发育的独特性，动物模型的应用具有很大的局限性。“只有人类大脑模型才能概括人类大脑的复杂性和特殊性，”IMBA科学主任Jürgen Knoblich说，他是该研究的通讯作者之一。
为了打开这个黑盒子，来自IMBA和苏黎世联邦理工学院的Jürgen Knoblich和Barbara Treutlein研究小组的研究人员开发了一种技术来筛选与自闭症相关的全套关键转录调节基因。这一发展尤其具有影响力，因为感兴趣的基因可以在单个马赛克类器官中同时进行检测，标志着人类组织中复杂、高效和方便的基因筛查时代的开始。在新开发的系统中，称为“CHOOSE”(CRISPR-human organoids-scRNA-seq)，类器官中的每个细胞最多携带一个特定ASD基因的突变。研究人员可以在单细胞水平上追踪每个突变的影响，并绘制每个细胞的发育轨迹。“通过这种高通量的方法，我们可以系统地灭活一系列致病基因。随着携带这些突变的类器官的生长，我们分析了每种突变对每种细胞类型发育的影响，”该研究的第一作者、共同通讯作者、Knoblich小组的博士后Chong Li这样说。
有了CHOOSE系统，IMBA和苏黎世联邦理工学院的研究小组对致病基因的研究有了全面的飞跃，为研究人员提供了一种通用的、高通量的方法，可以应用于任何疾病和任何人类模型系统。重要的是，与传统的基因功能丧失方法相比，CHOOSE大大加快了分析速度。“我们可以在一次实验中看到每个突变的结果，因此与传统方法相比，使用几十年来只可能在果蝇等生物中使用的方法大大缩短了分析时间，”Knoblich解释说。“此外，我们仍然可以从一百年来关于致病基因的科学文献中受益。”
同时改变几个基因并追踪它们的影响会产生大量的数据。为了分析这个复杂的数据集，共同通讯作者Barbara Treutlein和她在苏黎世联邦理工学院的团队使用了定量生物信息学和机器学习方法。“利用这种高通量单细胞表达数据，我们可以量化给定的细胞类型是由于给定的突变而更丰富还是更少，我们还可以识别出受每种突变共同或明显影响的一组基因。通过比较所有基因突变，我们可以重建这些与疾病相关的遗传扰动的表型景观，”Treutlein解释说。
在这项研究中，研究人员利用CHOOSE系统发现，36个基因的突变会导致发育中的人类大脑中特定细胞类型的变化，这些基因已知会使携带者患自闭症的风险很高。他们确定了通过称为“基因调节网络”或GRN的共同网络调节的关键转录变化。Li解释说，GRN是一组相互作用以控制特定细胞功能的分子调节因子。他补充说：“我们证明了在大脑发育过程中，一些细胞类型比其他细胞更容易受到影响，并确定了最容易受到自闭症突变影响的网络。”
“通过这种方法，我们了解到导致自闭症的基因有一些共同的分子机制，”Knoblich说。”然而，这些共同的机制在不同的细胞类型中可能导致明显不同的效果。一些细胞类型更容易受到导致自闭症的突变的影响，尤其是一些神经祖细胞——产生神经元的创始细胞。这一点是正确的，自闭症的病理可能已经在大脑发育的早期出现。这表明，在未来研究自闭症基因时，一些细胞类型将需要更多的关注。”
为了证实这些发现是否与人类疾病有关，研究人员与维也纳医科大学的临床医生合作，从两个患者干细胞样本中产生了脑类器官。两名患者都有导致自闭症的同一基因突变。“从两名患者身上产生的类器官显示出与特定细胞类型相关的明显发育缺陷。我们可以通过将类器官结构与其中一名患者大脑的产前核磁共振成像进行比较来验证这些体外观察结果，”
除了获得对自闭症病理的无与伦比的见解外，该团队还强调了CHOOSE系统的多功能性和可移植性。“我们预计，我们的技术将广泛应用于脑类器官以外的各种疾病相关基因的研究，”Knoblich说。通过这项新技术，科学家和临床医生获得了一种强大的、精确控制的高通量筛选工具，大大缩短了分析时间，并为疾病机制提供了宝贵的见解。
参考文献
Single-cell brain organoid screening identifies developmental defects in autism
