我们体内的每一个细胞都携带着几乎完全相同的基因组，但不同细胞在不同环境中的形态和功能却天差地别，这是由于一类被称为“转录因子”的特殊蛋白质控制着基因的表达与沉默。如果能弄清楚这些转录因子如何影响细胞的行为和命运，就有可能通过干预控制疾病的发展。
4月24日，国际顶尖学术期刊《科学》（Science）在线发表了一项来自中国的突破性研究。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（脑智卓越中心）周海波研究团队成功开发了一项可在活体动物体内大规模筛选基因功能的新技术，并利用该技术首次系统性绘制了大脑内一类关键细胞——星形胶质细胞的转录因子功能图谱，从中筛选并验证了能够改善阿尔茨海默病症状的全新潜在治疗靶点。
大脑的“后勤管家”
一提到神经系统疾病，人们最先想到的往往是神经元的死亡与受损。然而，在大脑之中，还有数量庞大的各种其他细胞，如具有免疫功能的小胶质细胞、负责血流调节的周细胞等，它们都在健康与疾病中扮演重要的角色，也已经成为科学家们攻克神经退行性疾病重点关注的对象。
在这些细胞中，星形胶质细胞因其星形的独特外观而得名，它们像后勤管家一样，为神经元提供营养与支持，并参与神经信号的传递与调控。然而，这位管家也有“黑化”的可能。
“当大脑遭遇疾病、感染或损伤时，星形胶质细胞会迅速反应，进入一种反应性状态。”该研究的通讯作者、脑智卓越中心研究员周海波介绍，“在阿尔茨海默病、帕金森病等多种神经退行性疾病中，这些细胞甚至会变得具有神经毒性，非但不再保护神经元，反而会释放毒素，加速疾病的恶化。”
正因如此，调控星形胶质细胞的状态，使其回归正常，已成为神经疾病治疗领域极具潜力的前沿方向。但问题在于，细胞的功能由数以万计的基因共同决定，其中转录因子扮演着“总开关”的角色。大脑中到底有哪些“开关”在影响星形胶质细胞的行为？这是一个未知的领域。
通过体内实验探索基因功能
简单来说，检验基因功能的基本思路是人为地让细胞的某个基因缺失或者过表达，再观察这些细胞的行为和状态有哪些变化。但是，我们的基因组内有超过两万个蛋白编码基因，一个个研究几乎是不可能完成的任务。
为了解决这一难题，近年来科学家们开发了“扰动测序”（Perturb-seq）技术。该技术将大量针对不同基因且带着独特“条形码”的“向导RNA”导入一大片细胞中，再通过单细胞测序技术对每个细胞进行基因测序。根据条形码，科学家可以了解每个细胞受扰动的基因，最后通过基因组变化来推断功能。
虽然这种实验可以一次测试成百上千个基因扰动，但以往大多在培养皿里的细胞上（体外）进行，无法真实反映活体大脑复杂的生理与病理环境。“体外环境在很多情况下不能模拟真实的疾病状态，所以我们必须要在体内做。但要在活体动物的大脑里同时检查成百上千个基因，技术难度极高。”周海波说。
为此，研究团队历时三年，自主开发了一套名为“iGOF-Perturb-seq”的体内高通量功能获得性扰动测序平台。研究人员挑选了约1000种转录因子，将它们分别装入经过改造的腺相关病毒（AAV）中。每个病毒不仅携带了一个转录因子，还带上了独一无二的分子条形码。
随后，他们将这包含上千种病毒的“鸡尾酒”注射到小鼠体内，通过特异性设计让病毒精准感染大脑中的星形胶质细胞。一段时间后，研究人员提取小鼠的脑组织进行单细胞测序。通过读取每个细胞的条形码，就能准确知道是哪个基因开关被开启了。再通过分析该细胞的基因表达变化，便能获知这个“开关”的具体功能。
发现治疗靶点
借助这一强大平台，团队成功获得了总共近40万个细胞的数据，绘制出了一幅星形胶质细胞转录因子功能图谱，清晰标注了每个开关能通往哪些功能道路。
“仅仅知道一个基因在正常状态下的功能还不够，我们更想知道能否通过它改变细胞在疾病中的状态。”论文第一作者张连升说。团队在一个模拟神经炎症的小鼠模型中，对初筛出的疾病相关转录因子进行了第二轮测试，最终锁定了一个名为Ferd3l的转录因子。
这个因子在阿尔茨海默病小鼠模型中的验证实验中取得了令人振奋的结果。在全脑的星形胶质细胞中特异性地开启Ferd3l后，小鼠的认知功能和相关的病理指标均得到了显著改善。这不仅证明了该技术平台的强大预测能力，也为阿尔茨海默病的治疗提供了一个极具潜力的全新靶点。
研究人员也表示，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。
这项研究的意义远不止于阿尔茨海默病。“我们建立的其实是一个可以预测多种神经系统疾病干预靶点的资源库。”周海波说，这项技术平台本身具有很强的普适性，未来只需更换不同的“基因开关”库或靶向不同的细胞类型（如神经元），就能为更多疾病的研究提供支撑。
“我们会把数据公开，让全世界治疗神经系统疾病的科学家，甚至药企，都能很方便地利用这个数据库去寻找他们感兴趣的靶点。”周海波说，“创新药开发最大的瓶颈之一就是缺少好靶点。我们这项工作恰恰提供了一个‘靶点宝库’，希望能加速针对多种脑疾病的精准干预方案的诞生。”