我們體內的每一個細胞都攜帶著幾乎完全相同的基因組，但不同細胞在不同環境中的形態和功能卻天差地別，這是由於一類被稱為“轉錄因數”的特殊蛋白質控制著基因的表達與沉默。如果能弄清楚這些轉錄因數如何影響細胞的行為和命運，就有可能通過干預控制疾病的發展。
4月24日，國際頂尖學術期刊《科學》（Science）線上發表了一項來自中國的突破性研究。中國科學院腦科學與智慧技術卓越創新中心（腦智卓越中心）周海波研究團隊成功開發了一項可在活體動物體內大規模篩選基因功能的新技術，並利用該技術首次系統性繪製了大腦內一類關鍵細胞——星形膠質細胞的轉錄因數功能圖譜，從中篩選並驗證了能夠改善阿爾茨海默病症狀的全新潛在治療靶點。
大腦的“後勤管家”
一提到神經系統疾病，人們最先想到的往往是神經元的死亡與受損。然而，在大腦之中，還有數量龐大的各種其他細胞，如具有免疫功能的小膠質細胞、負責血流調節的周細胞等，它們都在健康與疾病中扮演重要的角色，也已經成為科學家們攻克神經退行性疾病重點關注的對象。
在這些細胞中，星形膠質細胞因其星形的獨特外觀而得名，它們像後勤管家一樣，為神經元提供營養與支援，並參與神經信號的傳遞與調控。然而，這位管家也有“黑化”的可能。“當大腦遭遇疾病、感染或損傷時，星形膠質細胞會迅速反應，進入一種反應性狀態。”該研究的通訊作者、腦智卓越中心研究員周海波介紹，“在阿爾茨海默病、帕金森病等多種神經退行性疾病中，這些細胞甚至會變得具有神經毒性，非但不再保護神經元，反而會釋放毒素，加速疾病的惡化。”
正因如此，調控星形膠質細胞的狀態，使其回歸正常，已成為神經疾病治療領域極具潛力的前沿方向。但問題在於，細胞的功能由數以萬計的基因共同決定，其中轉錄因數扮演著“總開關”的角色。大腦中到底有哪些“開關”在影響星形膠質細胞的行為？這是一個未知的領域。
通過體內實驗探索基因功能
簡單來說，檢驗基因功能的基本思路是人為地讓細胞的某個基因缺失或者過表達，再觀察這些細胞的行為和狀態有哪些變化。但是，我們的基因組內有超過兩萬個蛋白編碼基因，一個個研究幾乎是不可能完成的任務。
為了解決這一難題，近年來科學家們開發了“擾動測序”（Perturb-seq）技術。該技術將大量針對不同基因且帶著獨特“條碼”的“嚮導RNA”導入一大片細胞中，再通過單細胞測序技術對每個細胞進行基因測序。根據條碼，科學家可以瞭解每個細胞受擾動的基因，最後通過基因組變化來推斷功能。
雖然這種實驗可以一次測試成百上千個基因擾動，但以往大多在培養皿裡的細胞上（體外）進行，無法真實反映活體大腦複雜的生理與病理環境。“體外環境在很多情況下不能類比真實的疾病狀態，所以我們必須要在體內做。但要在活體動物的大腦裡同時檢查成百上千個基因，技術難度極高。”周海波說。
為此，研究團隊歷時三年，自主開發了一套名為“iGOF-Perturb-seq”的體內高通量功能獲得性擾動測序平臺。研究人員挑選了約1000種轉錄因數，將它們分別裝入經過改造的腺相關病毒（AAV）中。每個病毒不僅攜帶了一個轉錄因數，還帶上了獨一無二的分子條碼。
隨後，他們將這包含上千種病毒的“雞尾酒”注射到小鼠體內，通過特異性設計讓病毒精准感染大腦中的星形膠質細胞。一段時間後，研究人員提取小鼠的腦組織進行單細胞測序。通過讀取每個細胞的條碼，就能準確知道是哪個基因開關被開啟了。再通過分析該細胞的基因表達變化，便能獲知這個“開關”的具體功能。
發現治療靶點
借助這一強大平臺，團隊成功獲得了總共近40萬個細胞的資料，繪製出了一幅星形膠質細胞轉錄因數功能圖譜，清晰標注了每個開關能通往哪些功能道路。“僅僅知道一個基因在正常狀態下的功能還不夠，我們更想知道能否通過它改變細胞在疾病中的狀態。”論文第一作者張連升說。團隊在一個類比神經炎症的小鼠模型中，對初篩出的疾病相關轉錄因數進行了第二輪測試，最終鎖定了一個名為Ferd3l的轉錄因數。
這個因數在阿爾茨海默病小鼠模型中的驗證實驗中取得了令人振奮的結果。在全腦的星形膠質細胞中特異性地開啟Ferd3l後，小鼠的認知功能和相關的病理指標均得到了顯著改善。這不僅證明了該技術平臺的強大預測能力，也為阿爾茨海默病的治療提供了一個極具潛力的全新靶點。
研究人員也表示，目前該療法僅在小鼠疾病模型中獲得初步驗證，距離臨床應用仍有很大差距。其能否進一步發展為安全有效的治療手段，尚需系統評估。例如，能否在大動物模型中得到驗證、其長期安全性如何，以及相關靶點能否實現對人腦的有效遞送等關鍵問題，仍有待進一步研究。
這項研究的意義遠不止于阿爾茨海默病。“我們建立的其實是一個可以預測多種神經系統疾病干預靶點的資源庫。”周海波說，這項技術平臺本身具有很強的普適性，未來只需更換不同的“基因開關”庫或靶向不同的細胞類型（如神經元），就能為更多疾病的研究提供支撐。
“我們會把資料公開，讓全世界治療神經系統疾病的科學家，甚至藥企，都能很方便地利用這個資料庫去尋找他們感興趣的靶點。”周海波說，“創新藥開發最大的瓶頸之一就是缺少好靶點。我們這項工作恰恰提供了一個‘靶點寶庫’，希望能加速針對多種腦疾病的精准干預方案的誕生。”
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