CRISPR 篩選神經元全基因體,揭開神經退化疾病機制

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俗話說:「擒賊先擒王」,這個道理用在疾病治療特別貼切。隨著基因檢測與編輯技術演進,累積越來越多疾病與上游基因之間的對應關聯,而透過抑制特定基因片段或者修飾該序列,便能精準達成治療成效。

以神經退化疾病帕金森氏症(Parkinson’s disease)來說,已知其與負責清理細胞代謝廢物蛋白 prosaposin 的基因有關。另外,也已有相關研究證實氧化壓力是造成神經退化疾病的關鍵因子。

加州大學舊金山分校(UCSF)研究團隊透過 CRISPR 來調控神經元 20,000 個基因的全基因體開關,然後發現 prosaposin 與氧化壓力有關。當溶體蛋白 prosaposin 基因關閉,會造成細胞氧化壓力增加,進而導致帕金森氏症等神經退化疾病。研究成果發表於《Nature Nureoscience》。

以 CRISPR 調控神經元基因,進而建造細胞模型

為了精準得知神經元各別基因功能,該研究團隊透過 CRISPR 活化/干擾(CRISPR activation/interference, CRISPRa/i)調控工具,結合幹細胞培養技術,得以暫時地關閉細胞特定基因。 

Prosaposin 基因關閉導致氧化壓力與促神經退化

結果發現,關閉溶體內 prosaposin 蛋白的基因,會導致大量活性氧物質產生並造成氧化壓力。這項觀察巧妙建立了神經退化疾病與 prosaposin 基因異常的關聯,兩者發生都與氧化壓力產生有關。

此外,結果也顯示抑制 prosaposin 會導致老年色素脂褐素(lipofuscin)累積,並且出現在老化細胞中,其溶體也不再有效地降解物質。再來脂褐素與鐵離子結合產生的活性氧化物質會誘導老化細胞產生鐵依賴型細胞死亡(ferroptosis)。

一般來說,人體老化需要數十年的觀察時間。然而,他們僅調控單一個基因,就可以在幾天內產生老化的生物標記。

建立 CRISPRbrain 共享資料庫

作為第 1 個分析人體神經元全基因組的實驗,該研究團隊更建立 CRISPRbrain 開放存取的資料庫,研究者可依細胞型態、基因序列、基因型或表現型等不同分類獲取相關基因資訊。

將來應用 CRISPRa/i 技術調控神經元或其他分化細胞,如星形膠質細胞和小膠質細胞,都能藉助此大數據資料庫進行交叉分析,互相共享並累積更巨量生物資訊。

延伸閱讀:基因編輯 NK 細胞抗癌!CRISPR Therapeutics 攜 Nkarta 開發 CAR-NK

參考資料:
1. https://www.ucsf.edu/news/2021/05/420576/full-genome-crispr-screen-reveals-surprising-ways-neurons-survive-oxidative
2. http://www.crisprbrain.org/
3. Nature Neuroscience, 2021; https://www.nature.com/articles/s41593-021-00862-0

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