人類的大腦很可能是整個(gè)生物世界中最復(fù)雜的器官，長期以來一直是科學(xué)家們著迷的對(duì)象。然而，研究大腦，特別是調(diào)節(jié)和指導(dǎo)它的發(fā)育的基因和分子開關(guān)，并不是一件容易的事。

迄今為止，科學(xué)家們一直在使用動(dòng)物模型（主要是小鼠）進(jìn)行研究，但他們的發(fā)現(xiàn)不能直接適用于人類。小鼠的大腦結(jié)構(gòu)與人類不同，缺乏人類大腦典型的皺褶表面。迄今為止，細(xì)胞培養(yǎng)物在這一領(lǐng)域的價(jià)值有限，因?yàn)榧?xì)胞在培養(yǎng)皿上生長時(shí)往往會(huì)擴(kuò)散到大片區(qū)域；這與大腦的自然三維結(jié)構(gòu)不相符。

繪制分子指紋圖譜

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物系統(tǒng)科學(xué)與工程系的Barbara Treutlein教授及其團(tuán)隊(duì)采取了一種新的方法來研究人類大腦的發(fā)育：他們正在培養(yǎng)和使用類器官---毫米大小的可以利用所謂的多能性干細(xì)胞培育出的三維組織。

只要這些多能性干細(xì)胞接受到正確的刺激，他們就能將它們編程成為身體中存在的任何一種細(xì)胞，包括神經(jīng)元。當(dāng)它們聚集成一個(gè)小的組織球，然后暴露在適當(dāng)?shù)拇碳は拢鼈兩踔量梢宰晕医M裝，形成具有復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的三維大腦類器官。

在一項(xiàng)新的研究中，Treutlein和她的同事們?nèi)缃裨诓煌臅r(shí)間點(diǎn)和非常詳細(xì)地研究了人類大腦類器官內(nèi)的數(shù)千個(gè)細(xì)胞。他們的目標(biāo)是用分子遺傳學(xué)術(shù)語來描述這些細(xì)胞：換句話說，所有基因轉(zhuǎn)錄本（轉(zhuǎn)錄組）的總量作為基因表達(dá)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)基因組可訪問性作為調(diào)節(jié)活性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。他們成功地將這些數(shù)據(jù)表示為一種圖譜，用于顯示這種大腦類器官內(nèi)每個(gè)細(xì)胞的分子指紋。相關(guān)研究結(jié)果于2022年10月5日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids”。

然而，這個(gè)過程產(chǎn)生了巨大的數(shù)據(jù)集：這種大腦類器官中的每個(gè)細(xì)胞有2萬個(gè)基因，而每個(gè)大腦類器官又由成千上萬個(gè)細(xì)胞組成。論文共同第一作者、Treutlein團(tuán)隊(duì)的博士生Jonas Fleck解釋說，“這導(dǎo)致了一個(gè)巨大的矩陣，而我們能夠解決它的唯一方法是借助合適的程序和機(jī)器學(xué)習(xí)?！?/p>

為了分析所有這些數(shù)據(jù)并預(yù)測(cè)基因調(diào)節(jié)機(jī)制，這些作者開發(fā)了他們自己的程序。Fleck說，“我們可以用它來為每個(gè)基因生成一個(gè)完整的相互作用網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)測(cè)當(dāng)該基因失效時(shí)在真實(shí)的細(xì)胞中會(huì)發(fā)生什么。”

識(shí)別基因開關(guān)

這項(xiàng)新研究的目的是系統(tǒng)地確定那些對(duì)大腦器官不同區(qū)域的神經(jīng)元發(fā)育有重大影響的基因開關(guān)。在CRISPR-Cas9系統(tǒng)的幫助下，這些作者有選擇地關(guān)閉了每個(gè)細(xì)胞中的一個(gè)基因，在整個(gè)大腦類器官中同時(shí)關(guān)閉了大約二十多個(gè)基因。這使他們能夠發(fā)現(xiàn)各自的基因在大腦類器官的發(fā)育中發(fā)揮了什么作用。

論文共同第一作者、Treutlein團(tuán)隊(duì)博士生Sophie Jansen解釋說，“這項(xiàng)技術(shù)可用于篩選參與疾病的基因。此外，我們還可以看看這些基因?qū)Υ竽X類器官內(nèi)不同細(xì)胞的發(fā)育所產(chǎn)生的影響?！?/p>

檢查前腦中的模式形成

為了檢驗(yàn)他們的理論，這些作者選擇了GLI3基因作為例子。該基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子GLI3可停靠在DNA上的某些位點(diǎn)，以調(diào)節(jié)另一個(gè)基因。當(dāng)GLI3被關(guān)閉時(shí)，細(xì)胞中的分子機(jī)制被阻止讀取該基因并將它轉(zhuǎn)錄為RNA分子。

在小鼠中，GLI3基因的突變可導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)畸形。它在人類神經(jīng)元發(fā)育中的作用以前沒有被探索過，但人們知道，該基因的突變會(huì)導(dǎo)致格雷格頭-多指-并指綜合征（Greig cephalopolysyndactyly syndrome）和帕利斯特-霍爾綜合征（Pallister Hall Syndrome）等疾病。

大腦類器官發(fā)育的多組學(xué)圖譜揭示了發(fā)育的層次和命運(yùn)決定的關(guān)鍵階段。圖片來自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05279-8。

沉默這個(gè)GLI3基因使得這些作者既能驗(yàn)證他們的理論預(yù)測(cè)，又能在細(xì)胞培養(yǎng)物中直接確定這個(gè)基因的缺失如何影響大腦類器官的進(jìn)一步發(fā)育。Treutlein說，“我們首次發(fā)現(xiàn)，GLI3基因參與了人類前腦模式的形成。這在以前只在小鼠身上發(fā)現(xiàn)過?！?/p>

模型系統(tǒng)反映了發(fā)育生物學(xué)

她解釋說，“這項(xiàng)新研究令人興奮的是，它可以讓你使用來自這么多個(gè)細(xì)胞的全基因組數(shù)據(jù)來推測(cè)單個(gè)基因發(fā)揮什么作用。在我看來，同樣令人興奮的是，這些在培養(yǎng)皿中制作的模型系統(tǒng)確實(shí)反映了我們從小鼠身上了解到的發(fā)育生物學(xué)。”

Treutlein還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，即這種培養(yǎng)基如何產(chǎn)生具有與人類大腦結(jié)構(gòu)相似的自組裝組織——不僅在形態(tài)學(xué)水平上，而且（正如這些作者在這項(xiàng)新的研究中所展示的那樣）在基因調(diào)控和模式形成水平上。她指出，“像這樣的類器官確實(shí)是研究人類發(fā)育生物學(xué)的一種極好的方法。”

多用途的大腦類器官

對(duì)由人類細(xì)胞材料組成的類器官的研究有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即所獲得的研究結(jié)果可以適用于人類身上。它們不僅可以用來研究基本的發(fā)育生物學(xué)，還可以研究基因在疾病或大腦發(fā)育障礙中的作用。例如，Treutlein和她的同事們正在用這種類型的類器官研究自閉癥和異位（heterotopia）的遺傳原因；在異位中，神經(jīng)元出現(xiàn)在大腦皮層的正常解剖位置之外。

類器官也可用于測(cè)試藥物，并可能用于培養(yǎng)可移植的器官或器官部分。Treutlein證實(shí)，制藥行業(yè)對(duì)這些細(xì)胞培養(yǎng)物非常感興趣。

然而，培養(yǎng)類器官需要時(shí)間和精力。此外，每個(gè)細(xì)胞團(tuán)都是單獨(dú)發(fā)育的，而不是以標(biāo)準(zhǔn)化的方式發(fā)育。這就是為何Treutlein和她的團(tuán)隊(duì)正在努力改進(jìn)類器官并使得它們的制造過程自動(dòng)化。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Jonas Simon Fleck et al. Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05279-8.

2. Mapping human brain development
https:///news/2022-10-human-brain.html