新研究實現轉基因小鼠腦內多基因的同時激活

　　1月15日，《自然-神經科學》（Nature Neuroscience）發表了題為《利用CRISPR/dCas9轉基因小鼠在腦內進行多基因的同時激活》的研究論文，該研究由中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心、神經科學國家重點實驗室楊輝研究組與上海科技大學黃鵬羽實驗室合作完成。該研究建立了一種高效的基于CRISPR/dCas9的體內激活平臺，并且在小鼠腦中實現了包括基因和長鏈非編碼RNA在內的多個基因元件的同時激活。該體內激活系統的建立將為在腦內研究復雜的基因網絡以及獲得性的表型提供重要技術手段。

　　一直以來，擁有一種能夠隨意控制基因表達的技術是很多生物學家的夢想。CRISPR/Cas9系統的出現滿足了這種需要，Cas9就像是一把DNA剪刀，在sgRNA的帶領下，特異性地切割目的序列，并形成DNA雙鏈斷裂。后來的研究通過失活Cas9的核酸內切酶的活性而獲得了dead Cas9（即dCas9），dCas9只會在sgRNA的引導下特異性的結合到目的位點，而不會產生切割。如果在dCas9上融合激活元件，就可以特異性地過表達目的基因。這種方法相對于傳統的過表達具有巨大的優勢；因為它不受基因大小限制，可以非常方便地同時上調多個基因的表達，而且這種過表達會更加“自然”。雖然dCas9介導的基因激活已經被廣泛用于體外研究，但利用dCas9在體內控制基因表達還一直沒有實現。

　　這項研究中，研究者首先開發了一種較于以往更加強大的激活系統（SPH），并且分別在人和小鼠的細胞里驗證了SPH系統的高效性。在此基礎上，研究者構建了受Cre重組酶調控的SPH轉基因小鼠，并且證明了在SPH小鼠的原代細胞里導入sgRNA和Cre重組酶可以激活基因和長鏈非編碼RNA。為了確定該轉基因小鼠在體內實驗中的有效性，研究者通過尾靜脈注射了表達Cre和sgRNA的質粒，發現SPH確實可以在肝臟內高效地激活基因的表達。尤其是在激活了Wnt通路里的關鍵基因Dkk1后，肝的代謝分區會被改變。為了進一步驗證該激活平臺是否可以用來研究神經系統的功能，研究者在中腦定點注射了靶向三個轉錄因子Ascl1、Neurog2以及Neurod1的AAV-sgRNA，結果顯示星形膠質細胞可以直接被轉化為功能性神經元。最后，研究者在SPH轉基因小鼠腦部定點注射了靶向十個基因或者八個基因加兩個長鏈非編碼RNA的AAV-sgRNA陣列，實現了多個基因在神經元內的同時激活。該研究證明了可以利用SPH小鼠在腦內實現復雜基因網絡的調節。

　　該項工作主要由博士后周海波，博士生劉俊來、周昌陽、高妮、饒志平、李賀，在神經所靈長類疾病模型研究組研究員楊輝和上海科技大學黃鵬羽的共同指導下完成，課題組的其他成員積極參與，并得到了神經所研究員張旭、程樂平、徐華泰和神經所基因編輯平臺博士施霖宇的大力協助。本工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家高科技研發項目、中國青年千人計劃、中科院重大突破項目、國家自然科學基金會和科學技術部等的資助。