Science丨周海波組開發體內高通量功能獲得性擾動測序平臺繪制大腦星形膠質細胞的轉錄因子功能圖譜

202 6 年 4 月 24 日， S cience 發表了題為 Mapping transcription factor functions in astrocytes using in vivo gain-of-function Perturb-seq 的研究論文。 該研究由 中國科學院腦科學與智能技術卓越創新 中心周海波研究組 與上海市第六人民醫院鄭元義教授團隊 、 上海 鯨奇生物胡新德研究團隊 合作完成。該研究開發了名為iGOF-Perturb-seq的體內功能獲得性擾動測序平臺，實現對蛋白質功能獲得性表型的高通量分析。通過將該平臺與細胞類型特異性啟動子相結合，系統 性 研究了約 1000 種 轉錄因子對星形膠質細胞 轉錄組 的功能獲得性擾動。基于擾動細胞的表達譜，研究人員構建了星形膠質細胞轉錄因子功能圖譜，識別出轉錄因子共功能模塊，對先前未表征的轉錄因子進行功能注釋，并對神經退行性疾病、生理性衰老、精神類疾病等腦疾病預測了疾病相關轉錄因子。 此外， 該研究 還 首次在病理條件下對疾病相關轉錄因子應用 iGOF-Perturb-seq 技術 從而 篩選 出 潛在的 疾病 治療 型 轉錄因子，并在小鼠疾病模型中 驗證了 其治療效果。 該 研究為深化對體內基因調控和疾病機制的理解提供了 重要 資源，并為多種腦部疾病的潛在治療靶點發現開辟了新途徑。

擾動測序（ Perturb-seq ）技術能夠在單細胞分辨率下系統解析基因擾動效應，已被用于繪制遺傳互作圖譜和解析基因調控網絡。然而，現有研究主要基于體外體系，新近發展的 體內方法 雖能揭示活體組織中的基因功能，但往往局限于小規模的功能缺失效應，尚缺乏大規模研究功能增益效應的體內方案。星形膠質細胞作為中樞神經系統中的關鍵細胞，通過調控突觸功能、維持穩態及參與炎癥反應等機制發揮多樣化功能，其功能程序的核心調控者轉錄因子在生理與病理條件下的具體 體內作用 仍不清楚。

基于以上研究背景，研究團隊開發了一 種名為 iGOF-Perturb-seq 的體內 高通量 功能獲得性擾動測序 平臺 。該平臺 通過整合條形碼 化開放 閱讀框、 腺相關病毒介 導的基因遞送以及 單細胞核 RNA 測序技術，實現了在活體組織中對基因功能獲得性效應的大規模系統性研究。 研究人員 將該方法應用于 小鼠 大腦 中 的 星形膠質細胞，以單細胞分辨率 平行 研究了約 1,000 種 轉錄因子的功能獲得性效應（圖1）。

圖 1. 體內 高通量 功能獲得性擾動測序 平臺的建立

利用此平臺產生的擾動細胞 轉錄組 信息，研究人員成功繪制了星形膠質細胞轉錄因子的系統性功能圖譜，不僅從分子網絡中呈現出 TF 與靶基因的調控關系，更通過體外細胞模型與在 體動物 實驗，驗證了圖譜的準確性與可重復性。在此基礎上，研究團隊進一步構建了轉錄因子擾動 與 基因程序響應的體內關聯模型，識別出多個具有協同調控作用的 TF 功能模塊，揭示了星形膠質細胞內基因程序的模塊化調控特征。同時，借助該模型，團隊對此前功能未知或研究較少的轉錄因子進行了 功能 注釋，明確了它們在 調控 星形膠質細胞 氧化應激和炎癥與免疫反應 等功能中的潛在作用，為后續機制研究提供了新的線索與依據（圖2）。

圖 2 . 大腦星形膠質細胞中轉錄因子的功能注釋

星形膠質細胞的正常功能改變與多種腦部疾病的發病和進展密切相關。 研究人員 通過進一步 將 轉錄因子功能圖譜 與來自多種神經退行性疾病、 生理性 衰老、膠質瘤及精神疾病患者 的數據集進行 關聯 ，預測了不同腦部疾病相關的候選轉錄因子。為了篩選治療靶點，研究團隊開創性地在模擬疾病的病理條件下對 預測的 疾病相關轉錄因子進行 iGOF-Perturb-seq 篩選， 從而 鑒定出潛在的 疾病 治療 型 轉錄因子。最后，研究 人員 選擇 轉錄因子 Ferd3l 在阿爾茨海默病小鼠模型中驗證其星形膠質細胞特異性過表達對阿爾茨海默病治療的有效性 。 結果表明，全 腦范圍 內星形膠質細胞特異性過表達 Ferd3l 能夠 有效改善 小鼠模型的阿爾茨海默病癥狀 。

總而言之，該研究借助iGOF-Perturb-seq技術平臺，成功在生理與病理狀態下系統繪制了星形膠質細胞轉錄因子的功能圖譜。該成果不僅為揭示體內基因調控網絡與疾病發生機制提供了重要數據支撐，也為后續篩選針對多種腦部疾病的潛在治療靶點奠定了關鍵基礎，例如合作團隊正在進行的超聲調控神經的作用機制和靶點篩選研究。

中國科學院腦智卓越中心張連升博士 為該論文第一作者。 中國科學院腦智卓越中心博士研究生 馬琪、助理 實驗師孔祥瑞 、王博博士、上海市第六人民醫院鄒衛娟博士 和 上海市華山醫院吳斌博士 為該論文共同第一作者。 中國科學院腦智卓越中心周海波研究員 為該論文首要通訊作者。 中國科學院腦智卓越中心 許爭爭博士 、上海市第六人民醫院鄭元義教授、吳建榮副研究員以及 上海鯨奇生物科技有限公司胡新德博士 為 該論文共同通訊作者。

招聘信息：周海波課題組聚焦疾病治療靶點的高通量篩選，以及神經退行性疾病與精神類疾病的創新治療方案研發。現長期招聘具有分子細胞生物學、模式動物與體內藥效研究或生物信息學相關背景的博士后研究人員。我們期待有志于轉化醫學研究的青年學者加入，共同推動從靶點發現到治療策略的全鏈條創新。

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

制版人： 十一

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