绘制人脑发育图

人脑可能是整个生命世界中最复杂的器官，长期以来一直是研究人员着迷的对象。然而，研究大脑，尤其是调节和指导其发育的基因和分子开关，并非易事。

迄今为止，科学家们已经开始使用动物模型，主要是老鼠，但他们的发现不能直接转移到人类身上。老鼠的大脑结构不同，缺乏人类大脑典型的皱纹表面。迄今为止，细胞培养在该领域的价值有限，因为细胞在培养皿上生长时往往会散布在大面积上。这不符合大脑的自然三维结构。

绘制分子指纹

由巴塞尔生物系统科学与工程系的 ETH 教授 Barbara Treutlein 领导的一组研究人员现在采用了一种新方法来研究人类大脑的发育：他们正在生长和使用类器官——毫米大小的 3D可以从所谓的多能干细胞中生长出来的组织。

只要这些干细胞接受正确的刺激，研究人员就可以对它们进行编程，使其成为体内存在的任何类型的细胞，包括神经元。当干细胞聚集成一个小球组织，然后受到适当的刺激，它们甚至可以自我组织，形成具有复杂组织结构的三维脑类器官。

在刚刚发表在《自然》杂志上的一项新研究中，Treutlein 和她的同事现在已经在不同时间点非常详细地研究了大脑类器官内的数千个单个细胞。他们的目标是用分子遗传学术语来表征细胞：换句话说，将所有基因转录物(转​​录组)的总和作为基因表达的衡量标准，同时将基因组的可及性作为调控活动的衡量标准。他们设法将这些数据表示为一种地图，显示类器官内每个细胞的分子指纹。

然而，这个过程会产生巨大的数据集：类器官中的每个细胞都有 20,000 个基因，而每个类器官又由数千个细胞组成。“这导致了一个巨大的矩阵，我们解决它的唯一方法是借助合适的程序和机器学习，” Treutlein 小组的博士生、该研究的共同主要作者之一 Jonas Fleck 解释说。

为了分析所有这些数据并预测基因调控机制，研究人员开发了自己的程序。“我们可以使用它为每个单独的基因生成一个完整的相互作用网络，并预测当该基因失败时真实细胞中会发生什么，”弗莱克说。

识别基因开关

这项研究的目的是系统地识别那些对大脑类器官不同区域的神经元发育有重大影响的基因开关。

在 CRISPR-Cas9 系统的帮助下，ETH 研究人员选择性地关闭了每个细胞中的一个基因，在整个类器官中同时关闭了大约两打基因。这使他们能够找出各自基因在大脑类器官发育中所起的作用。

“这项技术可用于筛选与疾病有关的基因。此外，我们可以研究这些基因对类器官内不同细胞发育的影响，” Treutlein 小组的博士生、第二位合作者 Sophie Jansen 解释说。 - 该研究的主要作者。

检查前脑中的模式形成

为了验证他们的理论，研究人员选择了 GLI3 基因作为例子。该基因是同名转录因子的蓝图，转录因子是一种停靠在 DNA 某些位点上以调节另一个基因的蛋白质。当 GLI3 关闭时，细胞机器无法读取该基因并将其转录成 RNA 分子。

在小鼠中，GLI3 基因的突变可导致中枢神经系统畸形。它在人类神经元发育中的作用以前未被探索过，但众所周知，该基因的突变会导致诸如 Greig 头多并指综合征和 Pallister Hall 综合征等疾病。

沉默这个 GLI3 基因使研究人员能够验证他们的理论预测，并直接在细胞培养中确定该基因的缺失如何影响大脑类器官的进一步发育。“我们首次证明 GLI3 基因参与了人类前脑模式的形成。这以前只在老鼠身上发现过，”Treutlein 说。

模型系统反映发育生物学

“这项研究令人兴奋的是，它可以让你使用来自如此多单个细胞的全基因组数据来假设单个基因所起的作用，”她解释说。“在我看来，同样令人兴奋的是，这些在培养皿中制作的模型系统确实反映了我们从老鼠身上了解到的发育生物学。”

Treutlein 还发现，培养基如何产生具有与人脑结构相当的自组织组织——不仅在形态学水平上，而且(正如研究人员在最新研究中所表明的那样)在基因调控和模式形成。“像这样的类器官确实是研究人类发育生物学的绝佳方式，”她指出。

多功能脑类器官

对由人类细胞材料组成的类器官的研究具有可以将研究结果转移到人类身上的优势。它们不仅可以用来研究基本的发育生物学，还可以用来研究基因在疾病或发育性脑部疾病中的作用。例如，Treutlein 和她的同事正在使用这种类型的类器官来研究自闭症和异位症的遗传原因。在后者中，神经元出现在大脑皮层中它们通常的解剖位置之外。

类器官也可用于测试药物，并可能用于培养可移植器官或器官部分。Treutlein 证实制药业对这些细胞培养物非常感兴趣。

然而，生长类器官需要时间和精力。此外，每个细胞团块都是单独发育的，而不是以标准化的方式发育的。这就是为什么 Treutlein 和她的团队正在努力改进类器官并使其制造过程自动化。

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