聚焦“关键配角”，他们为脑疾病靶点筛选搭起新平台
聚焦“关键配角”，他们为脑疾病靶点筛选搭起新平台
“这是我迄今为止数据量最大的一项研究。”中国 科学院 脑科学与智能技术卓越创新中心（以下简称脑智卓越中心）研究员周海波感叹。
自主研发体内功能获得性扰动测序平台iGOF-Perturb-seq、系统研究约1000种转录因子、对近40万个细胞进行测序……周海波团队与来自医院和企业的科研人员通力合作，仅用三年时间，绘制出首张“星形胶质细转录因子功能图谱”，并验证了其在筛选脑部疾病潜在治疗靶点的应用前景。
4月24日，这项工作发表于《科学》。审稿人评价称，“这项工作可能是神经科学领域的一项突破性进展”。
大脑的星形胶质细胞。脑智卓越中心供图
寻找“黑化”开关
说起大脑细胞，人们首先想到的往往是神经元。事实上，星形胶质细胞同样是大脑中的“原住民”，承担着为神经元提供营养支持、调节脑内血流、维持血脑屏障稳定、清除有害物质、促进突触发生与成熟等重要清除有害物质。
同时，这类大脑中的“关键配角”又十分敏感。受到外界刺激，特别是在脑部发生病变时，星形胶质细胞就会“摆烂”甚至“黑化”，转变为具有神经毒性的异常状态，释放多种损伤中枢神经系统的因子。系列研究表明，阿尔茨海默病、帕金森病、渐冻症等神经退行性疾病，都与星形胶质细胞“变坏”有关。
倘若找到星形胶质细胞的“变身”开关——转录因子，或许就有可能阻断甚至逆转其“黑化”过程。
此前的一些研究进展，已经初步显示了这一设想的可行性。如周海波团队与合作者在2023年发表于《自然-代谢》的研究发现，跨膜蛋白TMEM164是神经毒性星形胶质细胞激活过程中的关键调控因子。联合团队同时在阿尔茨海默病和帕金森病小鼠模型证明，在星形胶质细胞中特异性过表达TMEM164，可减轻相关神经退行性疾病的表型。
然而，人体内有超过1800个转录因子。若沿用传统方式逐一筛查，效率无疑十分低下。
“这项工作接近尾声时，我就在想，如果能够系统弄清不同转录因子如何调控星形胶质细胞功能，就有可能建立起一个靶点库。”周海波说，“有了这个底座，后续就可以面向不同神经系统疾病，从中筛选潜在治疗靶点。”
他首先想到的是扰动测序技术。不同于传统单细胞测序技术，这项技术能够在单细胞分辨率下系统解析基因扰动效应，已被用于绘制遗传互作图谱、解析基因调控网络。
然而，现有扰动测序技术主要用于体外体系。新近发展的体内方法，虽然能够揭示活体组织中的基因功能，但局限于小规模的功能缺失效应，尚缺乏大规模研究功能获得性效应的体内方案。
为此，周海波与上海市第六人民医院教授郑元义、副研究员吴建荣及上海鲸奇生物科技有限公司研发副总裁胡新德等老朋友携手攻关。
他们巧妙地将条形码化开放阅读框、腺相关病毒（AAV）介导的基因递送以及单细胞核RNA测序技术进行结合，开发出iGOF-Perturb-seq技术，将这一设想变为现实。
绘制“藏宝图”
研究团队并没有满足于开发一个新的生物学研究工具，而是进一步验证了iGOF-Perturb-seq技术在脑疾病治疗靶点筛选方面的潜力。
他们首先为每个转录因子打上独特的“条形码”，再借助AAV这一“智能快递员”，把近1000个转录因子精准送到小鼠的不同星形胶质细胞中。随后，他们再用单细胞测序技术，“读取”了近40万个星形胶质细胞的转录组“工作日志”，并通过条形码，把每个细胞的状态和其所接受的转录因子一一对应起来。
基于此，团队绘制出首张“星形胶质细胞转录因子功能图谱”。这张图谱就像一张巨大的“藏宝图”，不仅为理解星形胶质细胞如何参与神经系统疾病发生发展提供了重要数据支撑，也能够帮助科学家快速筛选出能够抑制星形胶质细胞“黑化”的候选“总指挥”。
进一步地，他们将转录因子功能图谱与来自多种神经退行性疾病、正常衰老、胶质瘤及精神疾病患者的数据集进行关联，预测出与不同脑部疾病相关的候选转录因子。
为了从中筛选潜在治疗靶点，团队又在模拟疾病的病理条件下，对这些预测转录因子进行iGOF-Perturb-seq筛选，从而鉴定出潜在的疾病治疗型转录因子。
“我们构建了一个模拟神经炎症的小鼠模型，将疾病相关的转录因子进行第二轮筛选，最终找到了具有治疗潜力的转录因子。”论文一作、脑智卓越中心博士张连升介绍，“这也是国际上首次在模拟疾病条件下开展此类筛选。”
基于此方法，团队共筛选出39个候选分子，并选取转录因子Ferd3l在阿尔茨海默病小鼠模型中进行验证。通过静脉注射，Ferd3l被AVV准确送到了小鼠大脑中的星形胶质细胞。
结果显示，这些小鼠的认知能力得到了显著改善，在新物体识别和Y迷宫等行为学测试中，表现已接近健康小鼠。
“我们分析发现，Ferd3l不仅让‘黑化’版星形胶质细胞变得‘温和’，还重建了它们与神经元、小胶质细胞等其他脑细胞之间的健康对话。”周海波说，它就像一个“调解员”，让原本混乱、充满攻击性的脑内环境，恢复成有序、协作的网络。
需要指出的是，目前该疗法仅在小鼠疾病模型中获得初步验证，距离临床应用仍有很大差距。其能否进一步发展为安全有效的治疗手段，尚需系统评估。例如，能否在大动物模型中得到验证、其长期安全性如何，以及相关靶点能否实现对人脑的有效递送等关键问题，仍有待进一步研究。
合作跑出“加速度”
从提出设想到论文发表，研究团队仅用了3年时间。周海波认为，这即离不开团队的前期积累，也离不开几个团队之间的紧密协作。
自2020年独立建组以来，周海波一直致力于基因编辑工具的开发优化，以及其在重大脑疾病治疗中的应用研究。
“虽然这项工作并未直接使用基因编辑技术，但我们借鉴了CRISPR在体内调控基因表达的研究思路。”周海波表示，“基于AAV介导的星形胶质细胞特异性过表达体系，也是在前期开展星形胶质细胞研究的过程中建立起来的。”
如果说前期积累为这项工作提供了起步时的“初速度”，那么多个团队之间的高效协作，则让研究在推进过程中不断获得新的“加速度”。
作为上篇论文的延续，几个团队之间已经形成了较为成熟的合作默契。围绕共同而明确的目标，他们结合各自优势，分别“认领”了体内实验、体外功能验证、生信分析等不同任务。
项目推进过程中，除定期召开例会外，每当遇到瓶颈问题时，团队之间也会及时沟通，尽可能缩短摸索和调整时间。
如今，他们的合作仍在继续。“我们正在同上海市第六人民医院郑元义教授团队进行超声调控神经的作用机制和靶点筛选研究。”周海波说，“我们也计划进一步扩展资源库，寻找抑郁症治疗的潜在靶点。”
同时，这张“藏宝图”的价值仍待开发。未来，科学家们还可以利用它寻找帕金森病、渐冻症等其他脑疾病的潜在“调解员”。此外，通过修改AAV的“目的地”，还可将这套体系推广到神经元等其他细胞类型中，寻找更多疾病相关的关键调控因子。
“我们已将数据库公开，欢迎关注神经系统疾病的科学家和药企研发人员使用。”周海波告诉《中国科学报》。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adw2156