Nature|重磅!斯坦福大学团队通过CRISPR-Cas9筛选技术揭示调节衰老神经干细胞活化的因子

学术   2024-10-11 00:01   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文张  远

责编︱王思珍

 
成年哺乳动物的大脑包含多个存在神经干细胞NSCneural stem cell)的区域,如侧脑室下区(SVZ, subventricular zone)和海马区齿状回(Dentate gyrus)。这些脑区可以产生新生神经元并修复组织损伤[1-3]NSC微环境位于脑室下区SVZSVZNSC每天可在成年小鼠体内产生数千个新生神经元。SVZ 包含一个静止NSCquiescent NSC池,可产生活化(增殖)NSC activated NSC,而后者又会产生更多定向祖细胞Committed progenitor cells,这些祖细胞会从SVZ微环境迁移到嗅球,并在那里分化为神经元[4]。在衰老的大脑中,NSC激活和形成新生神经元的能力严重受损,这可能导致感觉和认知功能缺陷[5-10]。研究影响NSC激活的基因可能开发出干预措施对抗衰老过程中的大脑缺陷。目前,仍然缺乏对功能上影响老年NSC激活的基因和通路的系统了解。改善老年细胞功能的基因干预措施的主要挑战是建立可扩展的哺乳动物基因筛选平台。因此,开发针对老年哺乳动物细胞和生物体的CRISPR–Cas9筛选平台有助于发现以前未知的基因,对这些基因的干预不仅可以帮助恢复老年人的组织再生功能,并且可以帮助发展应对衰老引起的再生和认知能力下降的策略。


近日,斯坦福大学Anne Brunet团队在Nature杂志在线发表了题为“ CRISPR–Cas9 screens reveal regulators of ageing in neural stem cells” 的研究论文。在这项研究中,作者团队通过体外和体内的CRISPR–Cas9大规模筛选平台,发现了大脑中调节神经干细胞衰老的调节因子,并进行了功能验证。这项研究不仅提供了可扩展的筛选平台,并且揭示了增强老年NSC功能的基因干预措施(包括体内干预),这对于对抗衰老过程中的再生能力下降和生理、疾病状态下大脑认知功能的改善具有重要意义。

 

首先,研究者开发了一个基于Crispr-Cas9的基因敲除筛选平台,在年轻和老年小鼠的原代NSC培养细胞中进行全基因组基因敲除筛选。体外培养的NSC在生长因子的作用下能够从qNSC转换成aNSC。研究者用表达Cas9(和eGFP)的小鼠为模型,将3-4个月大的小鼠作为年轻组,18-21个月大的小鼠作为老年小鼠组,分别培养原代分离的SVZ神经干细胞。接下来研究者通过构建表达sgRNA的慢病毒的进行了三次独立的全基因组的CRISPR-Cas9筛选,每个基因设计有10个独特的 sgRNA(大约23000个基因),以及15,000个对照sgRNA。通过筛选,研究团队确定了143个基因敲除增强年轻和老年NSC活化,210个基因敲除特异性作用于年轻NSC活化,301个基因敲除特异于老年NSC活化。值得注意的是,大部分基因敲除仅在年轻或仅在老年NSC中增加活化,这表明一些 NSC静止调节基因会随着年龄的变化而变化。一些年轻NSC特异性基因敲除,如CREBBP,可以调节NSC 活化。老年特异性基因敲除,如Sptlc2Rsph3aPxdc1以及葡萄糖转运蛋白基Slc2a4(编码GLUT4)和Slc2a12(编码GLUT12)调节老年NSC活化。

1. 全基因组筛查确定了300个可促进旧NSC活化的基因
(图源:Ruetz, et al., Nature. 2024

为了测试特定基因敲除是否也能在体内增强NSC功能,研究者团队开发了一个针对老年大脑的基因Crispr-Cas9基因敲除筛选平台。SVZ神经源性区的qNSC通常会激活并产生子代,然后这些子代会迁移出SVZ微环境,在嗅球远端位置产生新的神经元,这为体内筛选提供了良好的模型。研究者团队通过脑立体注射的方式将sgRNA的慢病毒载体递送到SVZ,并通过免疫荧光来标定 qNSCGFAP+Ki67–)和aNSCGFAP+Ki67+)。研究者发现靶向特定基因Slc2a4 sgRNA5周后能够显著导致SVZ和嗅球中的GLUT4染色减少。因此,证实了在体内SVZ立体定向注射含有sgRNA的慢病毒可有效敲除SVZ 微环境中NSC的基因。利用该平台,研究者在老年Cas9小鼠中进行了三次独立的靶向筛选。值得注意的是,研究者在体外筛选测试的激活基因敲除中,最富集的筛选基因与纤毛(Rsph3a、葡萄糖摄取 (Slc2a4Slc45a4 和阿尔茨海默病 (Sorl1有关 。葡萄糖摄取/人类疾病库富集程度最高,并且10个基因中有9 个在至少一次体内筛选中达到显著性。这些数据表明研究者建立了一个可扩展的基因敲除平台,用于在体内遗传筛选影响老NSC功能的基因,并强调纤毛、葡萄糖代谢和核糖核蛋白结构对老年NSC功能的重要性。

2. 用于快速测试基因敲除对NSC活化的影响的体内筛选平台
(图源:Ruetz, et al., Nature. 2024

在体外和体内筛选发现的增强老年NSC功能的最一致的基因之一是Slc2a4(编码GLUT4)。葡萄糖代谢被认为与年轻NSC的自我更新、存活和分化有关,但葡萄糖代谢在老年NSC中的功能研究尚不清楚。接下来,研究者进一步探究了GLUT4在老年NSC活化过程中的作用。研究发现,与对照组相比,Slc2a4敲除导致嗅球中新生细胞的比例增加了两倍以上。此外,Slc2a4敲除还导致了qNSCGFAP+S100a6+Ki67–)、aNSCGFAP+S100a6+Ki67+)和神经母细胞(GFAP–Ki67+)数量增加,并且通神经元的标志基因(Tuj1NeuN染色证实这些新生的细胞最终分化成了神经元。这些结果表明,SVZ微环境中的Slc2a4敲除可改善神经发生。此外,研究者还发现,GLUT4NSC中的表达随着年龄而增加。总的来说,这些数据提出了这样一种可能性,即GLUT4的年龄依赖性增加可能对老年大脑中的NSC功能和神经发生有害。

3. SVZ NSC微环境内的Slc2a4敲除可促进老年小鼠的神经发生。
(图源:Ruetz, et al., Nature. 2024


GLUT4是一种以胰岛素依赖方式增加细胞葡萄糖摄取的转运蛋白。在小鼠中已知的12种葡萄糖转运蛋白中,只有Slc2a4Slc2a12在被敲除时显著增强了体外的旧NSC活化。在体内,只有Slc2a4敲除改善了老年小鼠的神经发生。此外,单细胞RNA测序数据的分析表明,在12种葡萄糖转运蛋白中,只有Slc2a4在老年 qNSC 中显著上调。为了确定葡萄糖摄取量随年龄增加是否会影响qNSC中的下游代谢途径,研究者测量了细胞外酸化率ECAR),它主要反映糖酵解,以及氧气消耗率(OCR,它反映线粒体呼吸。研究发现,与年轻qNSC相比,年老qNSCECAR 明显较高,OCR明显较低,表明年老qNSC的糖酵解作用较强,呼吸作用减弱。这些结果表明GLUT4耗竭可能通过减少糖酵解来促进年老NSC活化。接下来,研究者进一步发现不管是通过基因敲除方式还是通过消耗培养基中的葡萄糖的方式都能够促进老年NSC的活化。综上,老年qNSC处于高葡萄糖摄取状态,可能是因为衰老过程中GLUT4表达增加,因此可以通过基因干预或葡萄糖限制来逆转以促进旧qNSC活化。

4. 老年NSC表现出较高的葡萄糖摄取率,可以有针对性地提高其活化能力
(图源:Ruetz, et al., Nature. 2024

文章结论与讨论,启发与展望

这项研究使用全基因组敲除筛选来鉴定影响衰老神经源性微环境的再生基因。研究者开发了一个 CRISPR-Cas9 靶向筛选平台,用于研究体内细胞衰老的功能的调控基因。胰岛素敏感的葡萄糖转运蛋白GLUT4的敲除使得老年小鼠的神经发生率增加了两倍。GLUT4在调节NSC衰老方面的重要性可能是由于GLUT4水平随年龄增长而略有增加或这种葡萄糖转运蛋白的胰岛素依赖性。由于GLUT4表达的年龄依赖性变化并不大,其它因素也可能导致老年NSC Scl2a4敲除的选择性。研究年龄依赖性胰岛素抵抗或特定突触素(例如 STX4A)在调节衰老过程中葡萄糖摄取方面的作用将是有趣的方向。葡萄糖增加阻碍NSC活化的方式可能涉及糖酵解下游的代谢调节或葡萄糖的其它代谢过程。研究NSC在衰老过程中可以使用的各种代谢底物(例如脂肪酸)的变化也是很有趣问题。系统性基因治疗干预措施可以使早衰症小鼠甚至生理性老年小鼠的衰老特征恢复活力。一个主要的挑战是快速识别新的基因干预措施以对抗体内衰老。因此,具有可扩展性筛选平台非常重要,并可与其他CRISPR-Cas9技术(例如,基因激活或抑制)配合使用,并适用于老年小鼠的其他细胞类型(例如,其他干细胞)。靶向干预衰老组织的基因表达有可能开发新的策略(遗传或环境)来延缓或逆转衰老特征。在大脑中,此类干预对于对抗衰老和神经退行性疾病期间的认知和再生衰退尤为重要。


原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07972-2


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参考文献
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编辑︱王思珍
本文完



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