高通量单细胞基因编辑技术揭示自闭症发育缺陷

        人脑类器官这一新兴的研究领域，正通过高通量基因编辑和单细胞测序技术帮助我们更深入地理解自闭症的发育缺陷。这种3D类器官是通过胚胎干细胞或多功能干细胞在体外培养中分化而来，可在分子、细胞和组织层面上模拟大脑发育的关键过程。近年来，人脑类器官已被广泛应用于研究基因缺陷导致的脑疾病，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。

        2023年9月13日，奥地利科学院分子生物技术研究所Juergen A. Knoblich和ETH Treutlein等在Nature上发表了文章 Single-cell brain organoid screening identifies developmental defects in autism 。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），将我们对自闭症的理解提升到了一个新的高度。

        研究作者充分利用这一技术，在人脑类器官中同时对36个高致病性自闭症基因在不同细胞内进行单个基因编辑敲除。经过长时间的体外培养（4个月）发育，这些类脑器官拥有复杂的细胞多样性，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，使得作者能够运用单细胞转录组进行表型的详细对比分析。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，更容易受到影响。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一种神经干细胞（ventral radial glia cells）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。最后，研究人员使用具有ARID1B突变的从病人体细胞分化而来的多功能干细胞分化成类脑器官，成功地印证了之前在筛查中观察到的现象。这种结合高通量筛选与在患者特定背景下的验证的结合，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。此外，研究人员发现了特定的细胞类型和基因调控网络更容易受到自闭症的影响，这需要未来更多的研究关注。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。

        原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06473-y