▎药明康德内容团队编辑
人脑类器官由胚胎干细胞或多功能干细胞在体外培养中分化而来，这种3D类器官可在分子、细胞和组织层面模拟大脑发育的关键过程。近年来，借助高通量基因编辑和单细胞测序技术，人脑类器官已被广泛应用于研究基因缺陷导致的脑部疾病，包括小脑症、自闭症和神经退行性病变的发病机制。
人脑类器官之所以备受瞩目，是因为它们能够再现体内的动态发育过程和细胞多样性，从而成为强大的生物学模型。然而，由于需要相对较长时间的体外培养以及具有一定的组织多样性，因此每个致病基因的表型研究通常需要进行多方位和多样本的分析。正因为如此，科学家迫切需要一种高通量的基因编辑和高分辨率的表型分析技术，以显著加速对致病基因功能的研究。然而，这种技术在3D类器官模型上的应用目前还不够成熟。
新发表在《自然》杂志上的一篇研究文章中，研究团队开发了一种崭新的高通量基因编辑和单细胞转录组测序技术（CHOOSE系统），这种系统将类脑器官技术与复杂的遗传学结合了起来，使研究者可以在人类类脑器官中进行单细胞水平的平行突变，并检测这些突变对疾病发展的影响。这意味着，我们可以从中找到哪些遗传突变与自闭症的发展有关，将我们对自闭症的理解提升到一个新的高度。该研究由奥地利科学院分子生物技术研究所Jürgen Knoblich 和苏黎世联邦理工学院Barbara Treutlein 团队合作完成，来自奥地利科学院分子生物技术研究所的李冲博士为本文第一兼共同通讯作者。
人类大脑有着生物界中无与伦比的复杂功能，这得益于有着高度分层和连接的大脑皮层，但复杂的皮层发育也让人类更易遭受神经发育障碍。根据已有的研究数据，一些对皮层发育至关重要的基因，却也与自闭症高风险具有联系。
借助全新的CHOOSE技术，研究团队在人脑类器官中同时在不同细胞内，对36个高致病性自闭症基因进行了单基因的编辑和敲除。随着携带不同突变的类器官生长，研究者就可以观察不同致病基因突变对大脑发育的可能影响。实验中，经过4个月的体外培养和发育，这些类脑器官拥有了复杂的细胞多样性，包括神经干细胞、皮层兴奋性和抑制性神经元以及胶质细胞。随后，作者运用单细胞转录组技术对它们进行了表型的详细对比分析。
▲共聚焦显微镜下的CHOOSE系统的类脑器官，红色代表了具有突变的细胞（图片来源：Knoblich Lab / IMBA-IMP Graphics）
与传统的方法相比，CHOOSE极大提升了分析速度，过去往往一次只能在果蝇等模式生物中突变一种基因，而CHOOSE可以一次性平行做出不同基因突变的结果。
研究人员发现一些细胞类型，如中间祖细胞、表层兴奋性神经元以及抑制性神经元前体细胞，更容易受到自闭症相关风险基因的影响。这些细胞中有一些会负责产生神经元，这也说明自闭症的病理特征可能在大脑发育早期就出现了。
此外，通过深入的细胞内分子学分析，研究人员还发现了许多表达受到影响的基因以及生物学通路的变化，为未来的自闭症研究提供了系统和全面的表型数据。同时，通过对单细胞转录组和染色质可访问性的分析，作者采用多层次的生物信息学方法找到了与自闭症相关的重要基因调控网络。
在表型分析中，研究人员发现了一个有趣的现象，三个BAF复合物成员（ARID1B、BCL11A和SMARCC2）的基因敲除都导致了腹侧大脑皮层一种神经干细胞的富集，表明BAF复合物在调控腹侧大脑皮层细胞命运规定中发挥了关键作用。
研究人员从具有ARID1B突变的患者获取了一些体细胞，然后将其去分化成多功能干细胞，最后重新培养成类脑器官，结果也复现了CHOOSE技术中观察到的现象。结合高通量筛选与在患者特定背景下的验证，充分展示了利用类器官系统研究神经发育障碍的有效性。
综上所述，研究团队开发了CHOOSE系统，并利用脑类器官来探索高风险自闭症基因的功能特征。通过高通量基因编辑和高分辨率单细胞基因组分析，这项研究为自闭症基因研究提供了一个涵盖发育和细胞类型特异性的表型数据库。CHOOSE系统为研究致病基因表型提供了一种系统性、定量化、高通量和高分辨率的技术，不仅适用于脑疾病的研究，还可用于研究其他器官系统疾病的机制，这将深化并加速我们对遗传疾病机制的研究。
参考文献