马克斯·普朗克佛罗里达理工学院(MPFI)神经科学部主任Ryohei Yasuda博士和他的同事们目前正在研究人脑细胞各种代谢与信号指标在我们学习与记忆形成过程中的变化。该科研究团队的一个主要研究目标是探究人脑中不同蛋白质的行为以及这些蛋白行为对单个细胞结构和功能的影响。目前,由于目的DNA结构可视化进程进度缓慢,Yasuda团队在遗传领域的研究受到了严重的限制。同时,在蛋白分析层面,目前的相关技术并不能准确地对不同蛋白进行对比。

  过去几年,CRISPR技术的发展帮助科学家们应对了一个又一个的基因工程挑战,使得科学家们可以以无与伦比地精度和速度对特定基因进行有效编辑,极大地提高了基因工程的效率并有效缩减了成本。目前,CRISPR技术以多种方式应用在了疾病的研究与治疗中。然而即便如此,有一些细胞的基因组相比之下能难通过CRISPR技术得到有效地编辑,其中便包括Yasuda博士研究中的大脑细胞。

  最近,MPFI的Takayasu Mikuni、Jun Nishiyama和Yasuda博士已经成功实现利用CRISPR / Cas9系统建造一个更快速、可伸缩且高分辨率神经元DNA编辑技术,他们将这一技术称为“SLENDR” (single-cell labeling of endogenous proteins by CRISPR/Cas9-mediated homology-directed repair.)通过这一技术的应用,研究人员荧光蛋白编码基因插入神经元中目的蛋白的编码基因中,进而完成了对以往难以定位大脑神经元蛋白的准确定位。而将实现移出这一实验,Yasuda等人的成功仅仅是CRISPR技术进行神经元编辑的开始。

  CRISPR/Cas9和神经元

  虽然CRISPR技术功能强大,但在神经细胞中CRISPR的功能却受到了极大的限制。在大脑发育的同时,神经元便不再分裂,大多数神经元通过DNA的非同源性末端接合进行自我修复。这种情况下,研究人员只能将外源基因插入神经元基因一端。虽然研究人员能够通过CRISPR技术轻易地在神经元DNA非同源性末端接合过程中损伤和破坏和破坏特定基因,细胞分裂的缺乏仍然使得研究人员很难对所他们研究的目的基因进行精确敲除。这便就是SLENDR问世的原因。

  SLENDR

  SLENDR结合了CRISPR与电穿孔技术的优点。研究人员通过电穿孔技术将CRISPR/CAS9系统注入产前神经干细胞模型中,这种情况下胎鼠大脑仍然可以继续发育。因此,神经元DNA的同源定向修复仍然可以有效进行,使得研究人员有机会对目的基因进行精确修改。“我相信SLENDR将会成为分子细胞神经生物学研究中的标准化工具,”Yasuda博士表示,“SLENDR为蛋白亚细胞结构的精确定位提供了一种有价值的方式,该技术将帮助研究人员确定特殊蛋白的具体功能。”

  在最近的研究中,MPFI的研究人员将荧光基因插入了蛋白编码基因中,他们用两种不同的标签标记了同一细胞中的两种蛋白。通过这种标记技术,研究人员成功地在体内和体外定位了目的蛋白的具体位置。更令人兴奋的是,这一系列实验的累积耗时只有几天,与原有技术相比研究效率得到了大幅的提高。

  根据既有的大脑发育知识,研究人员可以对电穿孔的时间与位置进行有效调整,在神经元尚未发育成大脑皮层的时候将靶基因精确注入。

  最近的研究技术主要用于标记大脑细胞中特定蛋白质的具体位置并观察他们的行为,但是随着该技术的持续优化,该技术有望在多种一般脑科学与疾病脑科学研究中得到应用,促进人类大脑研究的不断进步。

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