發(fā)布時(shí)間：2020-04-06
2020年4月8日，《細胞》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《通過(guò)CRISPR-CasRx介導的膠質(zhì)細胞向神經(jīng)元的轉分化治療神經(jīng)性疾病》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室楊輝研究組完成。該項研究通過(guò)運用最新開(kāi)發(fā)的RNA靶向CRISPR系統CasRx特異性地在視網(wǎng)膜穆勒膠質(zhì)細胞中敲低Ptbp1基因的表達，首次在成體中實(shí)現了視神經(jīng)節細胞的再生，并且恢復了永久性視力損傷模型小鼠的視力。同時(shí)，該研究還證明了這項技術(shù)可以非常高效且特異地將紋狀體內的星形膠質(zhì)細胞轉分化成多巴胺神經(jīng)元，并且基本消除了帕金森疾病的癥狀。該研究將為未來(lái)眾多神經(jīng)退行性疾病的治療提供一個(gè)新的途徑。
人類(lèi)的神經(jīng)系統包含成百上千種不同類(lèi)型的神經(jīng)元細胞。在成熟的神經(jīng)系統中，神經(jīng)元一般不會(huì )再生，一旦死亡，就是永久性的。神經(jīng)元的死亡會(huì )導致不同的神經(jīng)退行性疾病，常見(jiàn)的有阿爾茲海默癥和帕金森癥。此類(lèi)疾病的病因尚不明確且沒(méi)有根治的方法，因此對人類(lèi)的健康造成巨大威脅。據統計，目前全球大約有1億多的人患有神經(jīng)退行性疾病，而且隨著(zhù)老齡化的加劇，神經(jīng)退行性疾病患者數量也將逐漸增多。在常見(jiàn)的神經(jīng)性疾病中，視神經(jīng)節細胞死亡導致的永久性失明和多巴胺神經(jīng)元死亡導致的帕金森疾病是尤為特殊的兩類(lèi)，它們都是由于特殊類(lèi)型的神經(jīng)元死亡導致。我們之所以能看到外界絢爛多彩的世界，是因為我們的眼睛和大腦中存在一套完整的視覺(jué)通路，而連接眼睛和大腦的神經(jīng)元就是視神經(jīng)節細胞。作為眼睛和大腦的唯一一座橋梁，視神經(jīng)節細胞對外界的不良刺激非常敏感。研究發(fā)現很多眼疾都可以導致視神經(jīng)節細胞的死亡，急性的如缺血性視網(wǎng)膜病，慢性的如青光眼。視神經(jīng)節細胞一旦死亡就會(huì )導致永久性失明。據統計，僅青光眼致盲的人數在全球就超過(guò)一千萬(wàn)人。帕金森疾病是一種常見(jiàn)的老年神經(jīng)退行性疾病。它的發(fā)生是由于腦內黑質(zhì)區域中一種叫做多巴胺神經(jīng)元的死亡，從而導致黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元不能通過(guò)黑質(zhì)-紋狀體通路將多巴胺運輸到大腦的另一個(gè)區域紋狀體。目前，全球有將近一千萬(wàn)人患有此病，我國尤為嚴重，占了大約一半的病人。如何在成體中再生出以上兩種特異類(lèi)型的神經(jīng)元，一直是全世界眾多科學(xué)家努力的方向。
該研究中，研究人員首先在體外細胞系中篩選了高效抑制Ptbp1表達的gRNA，設計了特異性標記穆勒膠質(zhì)細胞和在穆勒膠質(zhì)細胞中表達CasRx的系統。所有元件以雙質(zhì)粒系統的形式被包裝在AAV中并且通過(guò)視網(wǎng)膜下注射，特異性地在成年小鼠的穆勒膠質(zhì)細胞中下調Ptbp1基因的表達。大約一個(gè)月后，研究人員在視網(wǎng)膜視神經(jīng)節細胞層發(fā)現了由穆勒膠質(zhì)細胞轉分化而來(lái)的視神經(jīng)節細胞，并且轉分化而來(lái)的視神經(jīng)節細胞可以像正常的細胞那樣對光刺激產(chǎn)生相應的電信號。研究人員進(jìn)一步發(fā)現，轉分化而來(lái)的視神經(jīng)節細胞可以通過(guò)視神經(jīng)和大腦中正確的腦區建立功能性的聯(lián)系，并且將視覺(jué)信號傳輸到大腦。在視神經(jīng)節細胞損傷的小鼠模型中，研究人員發(fā)現轉分化的視神經(jīng)細胞可以讓永久性視力損傷的小鼠重新建立對光的敏感性。為進(jìn)一步發(fā)掘Ptbp1介導的膠質(zhì)細胞向神經(jīng)元轉分化的治療潛能，研究人員證明了該策略還能特異性地將紋狀體中的星形膠質(zhì)細胞非常高效的轉分化為多巴胺神經(jīng)元，并且證明了轉分化而來(lái)的多巴胺神經(jīng)元能夠展現出和黑質(zhì)中多巴胺神經(jīng)元相似的特性。在行為學(xué)測試中，研究人員發(fā)現這些轉分化而來(lái)的多巴胺神經(jīng)元可以彌補黑質(zhì)中缺失的多巴胺神經(jīng)元的功能，從而將帕金森模型小鼠的運動(dòng)障礙逆轉到接近正常小鼠的水平。
需要指出的是，雖然科學(xué)家們在實(shí)驗室里取得了重要進(jìn)展，但是要將研究成果真正應用于人類(lèi)疾病的治療，還有很多工作要做。人類(lèi)的視神經(jīng)節細胞能否再生？帕金森患者是否能通過(guò)該方法被治愈？這些問(wèn)題有待全世界的科研工作者共同努力去尋找答案。
腦智卓越中心博士后周海波、助理研究員蘇錦霖、博士研究生胡新德、周昌陽(yáng)、李賀、陳昭融為論文共同第一作者，中科院腦智卓越中心楊輝研究員、博士后周海波為共同通訊作者。同時(shí)，腦智卓越中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士、徐華泰研究員、張翼鳳研究員、姚海珊研究員和周嘉偉研究員對該研究給予了大力協(xié)助。該研究得到了腦智卓越中心基因編輯平臺、流式平臺、光學(xué)成像平臺和實(shí)驗動(dòng)物平臺的大力支持。該研究獲得了中國科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、上海市的項目資助。
圖注：（上）CasRx通過(guò)靶向的降解Ptbp1 mRNA從而實(shí)現Ptbp1基因表達的下調。（中）視網(wǎng)膜下注射AAV-GFAP-CasRx-Ptbp1可以特異性的將視網(wǎng)膜穆勒膠質(zhì)細胞轉分化為視神經(jīng)節細胞，轉分化而來(lái)視神經(jīng)節細胞可以和正確的腦區建立功能性的聯(lián)系，并且提高永久性視力損傷模型小鼠的視力。（下）在紋狀體中注射AAV-GFAP-CasRx-Ptbp1可以特異性的將星形膠質(zhì)細胞轉分化為多巴胺神經(jīng)元，從而基本消除了帕金森疾病模型小鼠的運動(dòng)癥狀。
在小鼠的視網(wǎng)膜上，紅色圓形的細胞是再生出的視神經(jīng)節細胞，可以看到一條一條的紅線(xiàn)匯集到眼睛中間的視盤(pán)（左下黑洞區域），這是再生出的視神經(jīng)節細胞發(fā)出的軸突，它們將通過(guò)視盤(pán)傳到視神經(jīng)，然后再到大腦?！?/p>
視神經(jīng)部位是連接眼睛和大腦的橋梁。每一條紅色的線(xiàn)是每一個(gè)再生出來(lái)的視神經(jīng)節細胞發(fā)出的軸突，通過(guò)這里，這些新生軸突將會(huì )與大腦中處理視覺(jué)信號的區域正確相連。
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