Science：周海波團(tuán)隊(duì)等開發(fā)體內(nèi)功能獲得性擾動(dòng)測(cè)序平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病治療新靶點(diǎn)

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

Perturb-seq技術(shù)能夠?qū)Ρ姸嗷虻倪z傳擾動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行高通量分析，揭示其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和功能作用。在體內(nèi)（in vivo）通過細(xì)胞類型特異性讀出擴(kuò)展這種方法，能夠系統(tǒng)地剖析組織內(nèi)基因型與表型的關(guān)系。星形膠質(zhì)細(xì)胞（Astrocytes）對(duì)于維持大腦穩(wěn)態(tài)、突觸維護(hù)以及神經(jīng)炎癥至關(guān)重要，其受到轉(zhuǎn)錄因子（TF）的嚴(yán)格調(diào)控。然而，在體內(nèi)生理和病理狀態(tài)下，轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞的調(diào)控全景圖，目前仍知之甚少。

最新的體內(nèi)單細(xì)胞擾動(dòng)技術(shù)使得在活體組織中進(jìn)行基因功能研究成為可能，但這些方法目前仍局限于生理?xiàng)l件下的小規(guī)模功能缺失分析，限制了治療探索的深度。

2026 年 4 月 23 日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心周海波研究員、許爭(zhēng)爭(zhēng)博士，上海市第六人民醫(yī)院鄭元義教授、吳建榮副研究員及上海鯨奇生物胡新德博士作為共同通訊作者（張連升、馬琪、孔祥瑞、王博、鄒衛(wèi)娟、吳斌為論文共同第一作者），在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：Mapping transcription factor functions in astrocytes using in vivo gain-of-function Perturb-seq 的研究論文。

該研究開發(fā)了一個(gè)名為iGOF–Perturb-seq的體內(nèi)功能獲得性擾動(dòng)測(cè)序平臺(tái)，用于構(gòu)建約 1000 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在大腦星形膠質(zhì)細(xì)胞中的功能圖譜。利用該平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)鑒定了功能協(xié)同的模塊，注釋了未被表征的轉(zhuǎn)錄因子，并預(yù)測(cè)了疾病相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子簇。在小鼠神經(jīng)炎癥模型中進(jìn)行的 iGOF–Perturb-seq 篩選，將Ferd3l鑒定為潛在治療候選靶點(diǎn)，在星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性過表達(dá) Ferd3l 緩解了阿爾茨海默病小鼠模型的癥狀。這項(xiàng)技術(shù)為理解體內(nèi)基因調(diào)控與疾病機(jī)制、以及為不同腦部疾病尋找潛在治療靶點(diǎn)提供了資源。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)體內(nèi)功能獲得性（in vivo GOF）研究平臺(tái)——iGOF–Perturb-seq，整合條形碼開放閱讀框、腺相關(guān)病毒（AAV）介導(dǎo)的遞送以及單核 RNA 測(cè)序技術(shù)，從而能夠系統(tǒng)性評(píng)估在活體組織中大規(guī)模基因過表達(dá)所產(chǎn)生的影響。

研究團(tuán)隊(duì)將該平臺(tái)應(yīng)用于小鼠大腦的星形膠質(zhì)細(xì)胞，對(duì)約 1000 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子（TF）進(jìn)行了功能獲得性（GOF）效應(yīng)分析，揭示了在復(fù)雜生物學(xué)背景下調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞功能的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)將該平臺(tái)擴(kuò)展至疾病模型小鼠，實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)治療靶點(diǎn)的系統(tǒng)性篩選。

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)包含約 1000 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的 AAV 介導(dǎo)的過表達(dá)文庫(kù)，并應(yīng)用 iGOF-Perturb-seq 平臺(tái)，結(jié)合靶向的功能獲得性（GOF）與功能缺失（LOF）驗(yàn)證，繪制了星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子的功能圖譜。這項(xiàng)大規(guī)模分析為理解轉(zhuǎn)錄因子如何在體內(nèi)調(diào)控基因網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞功能提供了寶貴資源。通過對(duì)受擾動(dòng)星形膠質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組譜進(jìn)行基因表達(dá)程序分析，鑒定出了功能協(xié)同的轉(zhuǎn)錄因子模塊，并預(yù)測(cè)了此前未被表征的轉(zhuǎn)錄因子的功能，從而揭示了定義體內(nèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞功能的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)。

為了進(jìn)一步闡明轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)所有受擾動(dòng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行了高維加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析。該分析解析出五個(gè)分別富集于不同生物過程的共表達(dá)模塊，并聚類出六組轉(zhuǎn)錄因子，揭示了多樣化的功能獲得性轉(zhuǎn)錄因子擾動(dòng)如何對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能性轉(zhuǎn)錄程序產(chǎn)生趨同效應(yīng)。

通過將這些 Perturb-seq 數(shù)據(jù)與來自正常老年受試者及神經(jīng)退行性疾病、膠質(zhì)瘤和精神疾病患者的單核 RNA 測(cè)序數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較，研究團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)了可能參與疾病進(jìn)展的潛在疾病相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，并成功驗(yàn)證了它們的功能作用。

更重要的是，在模擬疾病條件下進(jìn)行的 Perturb-seq 能夠直接分析病理狀態(tài)下的基因調(diào)控。例如，該研究鑒定出星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性的Ferd3l作為神經(jīng)退行性疾病的潛在治療候選靶點(diǎn)。在全腦范圍內(nèi)過表達(dá) Ferd3l 不僅能抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng)和神經(jīng)毒性激活，還在阿爾茨海默病小鼠模型中緩解了認(rèn)知缺陷和反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)毒性，這既證明了其神經(jīng)保護(hù)潛力，也展示了 iGOF-Perturb-seq 用于系統(tǒng)性體內(nèi)篩選治療靶點(diǎn)的實(shí)用性。

利用體內(nèi)GOF Perturb-seq技術(shù)構(gòu)建生理和病理?xiàng)l件下星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子的功能圖譜

總的來說，該研究利用 iGOF–Perturb-seq 技術(shù)在生理和病理?xiàng)l件下繪制了星形膠質(zhì)細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄因子的功能圖譜，為理解健康和患病大腦中星形膠質(zhì)細(xì)胞功能的基因調(diào)控和分子機(jī)制提供了寶貴資源，同時(shí)也為識(shí)別多種腦部疾病中的潛在致病和治療靶點(diǎn)提供了可能。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw2156