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基于C-CRISPR優(yōu)化的跨物種囊胚互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)小鼠體內(nèi)生成大鼠前腦組織

瀏覽次數(shù):731 發(fā)布日期:2025-8-27  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
場(chǎng)景恐懼  | 吳軍/楊輝/周海波/郭帆團(tuán)隊(duì)在小鼠體內(nèi)生成大鼠前腦組織
 

論文上線截圖

這篇發(fā)表于《Cell》的研究報(bào)道了一種基于C-CRISPR優(yōu)化的跨物種囊胚互補(bǔ)(IBC)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了在小鼠體內(nèi)生成大鼠前腦組織。研究者通過(guò)快速篩選候選基因,發(fā)現(xiàn)Hesx1基因缺失的小鼠胚胎為大鼠胚胎干細(xì)胞(rESCs)提供了發(fā)育空位,成功重建了結(jié)構(gòu)和功能正常的異種大鼠前腦。該前腦組織在小鼠宿主體內(nèi)以小鼠的發(fā)育節(jié)奏生長(zhǎng),但保持了大鼠特異的轉(zhuǎn)錄組特征,顯示出細(xì)胞自主性和非細(xì)胞自主性機(jī)制共同調(diào)控的復(fù)雜發(fā)育過(guò)程。功能評(píng)估包括神經(jīng)元電生理記錄和行為學(xué)測(cè)試,均表明重建的前腦具備正常神經(jīng)功能。研究還揭示了發(fā)育中期至晚期存在的異種細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)和排斥障礙,提示未來(lái)需克服這些屏障以提高異種嵌合效率。該工作不僅首次實(shí)現(xiàn)了腦組織的跨物種囊胚互補(bǔ),開辟了利用異種胚胎干細(xì)胞研究腦發(fā)育、認(rèn)知功能及進(jìn)化機(jī)制的新途徑,也為解決器官移植供體短缺提供了潛在技術(shù)平臺(tái)。

1.CCBC技術(shù)通過(guò)高效敲除Hesx1基因成功構(gòu)建前腦發(fā)育缺陷模型,并實(shí)現(xiàn)90%以上的前腦組織重建效率
作者首先系統(tǒng)性地展示了基于C-CRISPR的囊胚互補(bǔ)技術(shù)(CCBC)在器官再生研究中的應(yīng)用。如圖1A左所示,研究者將C-CRISPR技術(shù)與傳統(tǒng)囊胚互補(bǔ)技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)出CCBC這一創(chuàng)新方法,該方法能快速篩選候選基因并一步生成基因敲除動(dòng)物。在概念驗(yàn)證階段(圖1A右),研究者針對(duì)7個(gè)Wnt/β-catenin信號(hào)通路關(guān)鍵基因進(jìn)行篩選。基因編輯效率驗(yàn)證顯示(圖1B),所有候選基因均可被高效敲除,其中Dkk1、Hesx1和Six3的敲除導(dǎo)致顯著的前腦發(fā)育缺陷(圖1C,D)。進(jìn)一步的嵌合體實(shí)驗(yàn)證實(shí)(圖1E,F),在Dkk1−/−和Hesx1−/−胚胎中注射mESCs可成功重建完整異源前腦,其中Hesx1−/−嵌合體表現(xiàn)出97.06%的高效前腦重構(gòu)率(圖1H,I);而Six3−/−胚胎則無(wú)法被供體細(xì)胞挽救(圖1E,F)。在新生嵌合體分析中(圖1G),Dkk1−/−+mESCs組獲得55只(90.16%)成功重建前腦的個(gè)體,進(jìn)一步證實(shí)了該技術(shù)的可靠性。這些結(jié)果不僅驗(yàn)證了CCBC技術(shù)的高效性,更揭示了不同基因在前腦發(fā)育中的特異性作用,為復(fù)雜器官的再生研究提供了重要技術(shù)平臺(tái)和理論依據(jù)。
圖1.CCBC技術(shù)為神經(jīng)囊胚互補(bǔ)提供了快速遺傳篩選方案

2. Hesx1敲除背景下小鼠前腦的種內(nèi)胚胎干細(xì)胞補(bǔ)償
接下來(lái),作者通過(guò)將tdTomato+ mESCs注入Hesx1−/−(由CAG啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)EGFP表達(dá))囊胚,成功構(gòu)建了EGFP-tdTomato雙標(biāo)記嵌合體(圖2A-B)。在Hesx1−/−+mESCs嵌合體中,前腦(大腦皮層和海馬區(qū))幾乎全部(~100%)由供體來(lái)源的tdTomato+細(xì)胞構(gòu)成,顯著高于WT+mESCs嵌合體的~50%(圖2C-2E);而中腦嵌合率仍維持在約50%(圖2E),表明Hesx1缺失導(dǎo)致的前腦生態(tài)位空缺可被供體細(xì)胞完全填補(bǔ)。所有嵌合小鼠均存活至成年,且腦部大小與對(duì)照組無(wú)差異(圖2F-2H)。以上結(jié)果證明Hesx1缺失可特異性實(shí)現(xiàn)小鼠前腦的高效供體細(xì)胞嵌合,為種內(nèi)前腦互補(bǔ)提供了概念驗(yàn)證。

圖2.Hesx1−/−小鼠前腦的種內(nèi)囊胚互補(bǔ)

3.小鼠內(nèi)IBC介導(dǎo)的大鼠前腦構(gòu)建
其次,作者通過(guò)CCBC生成rESC衍生前腦組織(圖3A)。圖3B為WT+rESCs和Hesx1/+rESCs嵌合體在P3和20個(gè)月時(shí)的代表性圖像。在Hesx1−/−嵌合體中,大鼠來(lái)源的tdTomato+細(xì)胞在皮層和海馬區(qū)占比更高(圖3C-3E)。功能實(shí)驗(yàn)證實(shí),rESCs衍生的神經(jīng)元能形成完整的軸突投射通路:從前外側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層(ALM)投射至丘腦、上丘和延髓等靶區(qū)(圖3F),且投射纖維同時(shí)表達(dá)EGFP和tdTomato雙標(biāo)記信號(hào)(圖3G)。電生理實(shí)驗(yàn)表明,嵌合體中的大鼠和小鼠皮層神經(jīng)元均能產(chǎn)生正常的動(dòng)作電位(圖3H-3K),且兩者的輸入阻抗(圖3L)、靜息膜電位(圖3M)及閾值電流(圖3N)均無(wú)顯著差異。綜上,Hesx1−/− rESCs能高效生成前腦組織并整合到宿主神經(jīng)環(huán)路中,其衍生的神經(jīng)元具有正常的電生理特性和長(zhǎng)距離投射能力。

圖3.通過(guò)IBC在小鼠中生成大鼠前腦組織

4. 跨物種嵌合體與同物種嵌合體中,重建的前腦均具備正常的結(jié)構(gòu)和功能
Hesx1−/−+rESCs嵌合體與WT+mESCs及Hesx1−/−+mESCs嵌合體的體重增長(zhǎng)曲線相似(圖4A),且三組嵌合體的大腦皮層V區(qū)及海馬區(qū)均表達(dá)神經(jīng)標(biāo)記CTIP2,皮層厚度與細(xì)胞密度無(wú)顯著差異(圖4B–4E)。行為學(xué)測(cè)試(Morris水迷宮、曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及恐懼條件反射)進(jìn)一步表明,各組嵌合體的認(rèn)知功能均正常(圖4F–4H)。綜上,種間嵌合體重構(gòu)的前腦在結(jié)構(gòu)與功能上均發(fā)育正常。

圖4.種內(nèi)或種間嵌合體重構(gòu)的前腦在結(jié)構(gòu)和功能上均表現(xiàn)正常

5. 發(fā)育中晚期的異種屏障
在Hesx1−/−+rESCs嵌合體發(fā)育過(guò)程中,隨著胚胎生長(zhǎng),大鼠細(xì)胞在小鼠胎兒中的整體嵌合率從約60%逐漸下降至E17.5時(shí)的20%,而前腦區(qū)域的嵌合水平也從早期的90%-100%顯著降低至E15.5時(shí)的約60%(圖5A–5C)。這些數(shù)據(jù)表明,大鼠和小鼠之間存在妊娠中晚期的種間屏障,導(dǎo)致嵌合效率下降。以上結(jié)果表明異種嵌合體在發(fā)育中晚期面臨顯著的種間限制,需進(jìn)一步優(yōu)化方法以提高嵌合率。

圖5.Hesx1−/−+rESCs嵌合體中供體大鼠細(xì)胞的動(dòng)態(tài)貢獻(xiàn)

6. 大鼠-小鼠嵌合前腦重構(gòu)中的細(xì)胞自主與非自主作用
Hesx1−/−+rESCs(大鼠-小鼠嵌合體)胚胎的腦發(fā)育速率與野生型小鼠及Hesx1−/−+mESCs(小鼠-小鼠嵌合體)一致(圖6A),表明嵌合體內(nèi)大鼠腦組織的發(fā)育與小鼠宿主同步。單細(xì)胞RNA測(cè)序(scRNA-seq)分析(圖6B-6D)發(fā)現(xiàn),rESC在嵌合前腦中分化為興奮性神經(jīng)元(EXs)、抑制性神經(jīng)元(INs)等多種細(xì)胞類型(圖6E),且其轉(zhuǎn)錄組特征與野生型大鼠神經(jīng)元相似,而宿主Hesx1−/−小鼠神經(jīng)元?jiǎng)t保持小鼠特征(圖6F、6G)。差異基因分析(圖6H)顯示,部分基因在軸突發(fā)生、前腦發(fā)育等通路中富集(圖6I、6J)。以上結(jié)果表明嵌合體內(nèi)大鼠神經(jīng)元的發(fā)育和轉(zhuǎn)錄組特征主要由細(xì)胞自主性機(jī)制調(diào)控,同時(shí)受宿主微環(huán)境部分影響。

圖6.前腦重建型大鼠-小鼠嵌合體中的細(xì)胞自主性與非細(xì)胞自主性效應(yīng)

SA218  場(chǎng)景恐懼系統(tǒng)  
場(chǎng)景恐懼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(FCS)用于小型嚙齒類動(dòng)物(大、小鼠)環(huán)境相關(guān)條件性恐懼實(shí)驗(yàn)研究。嚙齒類動(dòng)物在恐懼時(shí)會(huì)表現(xiàn)出特有的不動(dòng)狀態(tài)(immobility),動(dòng)物在這種情況下傾向于保持靜止不動(dòng)的防御姿勢(shì)。抗抑郁藥和抗中樞興奮藥可以明顯縮短不動(dòng)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象被給與一個(gè)聲音信號(hào)(條件刺激),隨后給予電擊(非條件)刺激。該訓(xùn)練稱為條件性訓(xùn)練,訓(xùn)練結(jié)束后實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行聲音信號(hào)或環(huán)境聯(lián)系性實(shí)驗(yàn)。一般情況下嚙齒類動(dòng)物對(duì)相應(yīng)的環(huán)境和不同環(huán)境下同樣的聲音信號(hào)都會(huì)做出明顯的條件性恐懼反應(yīng),如靜止不動(dòng)。這種測(cè)試可以在訓(xùn)練結(jié)束后立刻或幾天后進(jìn)行可以提供在條件信號(hào)影響下短期和長(zhǎng)期記憶的信息。

SA201  Morris水迷宮  

Morris水迷宮(Morris water maze, MWM)實(shí)驗(yàn)是一種強(qiáng)迫實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(大鼠、小鼠)游泳,學(xué)習(xí)尋找隱藏在水中平臺(tái)的一種實(shí)驗(yàn),主要用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)動(dòng)物對(duì)空間位置感和方向感(空間定位)的學(xué)習(xí)記憶能力。被廣泛應(yīng)用于學(xué)習(xí)記憶、老年癡呆、海馬/外海馬研究、智力與衰老、新藥開發(fā)/篩選/評(píng)價(jià)、藥理學(xué)、毒理學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、動(dòng)物心理學(xué)及行為生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科的科學(xué)研究和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等領(lǐng)域。

SA215  曠場(chǎng)視頻分析系統(tǒng)  
曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)視頻分析系統(tǒng)(open field test)是觀察研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物神經(jīng)精神變化、進(jìn)入開闊環(huán)境后的各種行為,例如動(dòng)物對(duì)新開闊環(huán)境的恐懼而主要在周邊區(qū)域活動(dòng),在中央?yún)^(qū)域活動(dòng)較少,但動(dòng)物的探究特性又促使其產(chǎn)生在中央?yún)^(qū)域活動(dòng)的動(dòng)機(jī),也可觀察由此而產(chǎn)生的焦慮心理。中樞興奮藥物可以明顯增加自主的活動(dòng)而減少探究行為,一定劑量的抗精神病藥物可以減少探究行為而不影響自主活動(dòng)。
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