艾德思：中美最新成果登Nature自闭症猴子有什么用

 2019 年 6 月 13 日凌晨, Nature 发表 CRISPR 基因编辑技术改造自闭症食蟹猕猴研究,这些具备 Shank3 基因突变的猴子大脑神经元功能连接减少,个体表现出社交回避/刻板行为等自闭症症状,这是一个典型的自闭症模型.

这项成果由中国科学院深圳先进技术研究院/麻省理工学院/中山大学和华南农业大学合作完成.

具有 Shank3 基因突变灵长类自闭症动物模型的创建,为研究自闭症医学研究提供了新的视角,同时也为开发新的大脑疾病治疗方式奠定了良好的基础.

动物模型,打开自闭症的"钥匙' 目前中国自闭症患者已超 1000 万,其中 0 到 14 岁儿童患者超过 200 万,近年来患病率仍有上升趋势.目前造成自闭症的确切病因和发病机制并不明确,在治疗上除了康复训练来改善症状并无根治途径.

自闭症是一种复杂的发育障碍,具有很强的遗传基础.截至目前,科学家已经确定了数百个与自闭症相关的遗传变异,但是很大一部分基因变异与自闭症风险之间的关联并不显著,而备受关注的 Shank3 基因突变则与自闭症强相关.

此外, Shank3 基因的突变和缺失还会导致一种相关的罕见疾病,称为 Phelan-McDermid 综合症.其最常见的特征包括智力缺陷/语言和睡眠障碍以及重复性行为.由于与自闭症有诸多症状重叠,很多 Phelan-McDermid 综合症患者也被诊断为自闭症.

由 Shank3 编码的蛋白存在于神经元连接点的突触中.突触是神经元之间相互交流的功能结构,在大脑与运动计划/动机和习惯性行为相关的纹状体部位,突触特别活跃.该研究通讯作者之一/麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所神经科学教授冯国平,以前曾研究过带有 Shank3 突变的小鼠,发现它们会表现出与自闭症相关的一些特征,包括避免社交和强迫性重复行为.

冯国平说,"我们的目标是建立一个模型,可以帮助我们更好地理解自闭症的神经生物学机制,并最终开发出更适用于人类的疗法.新的食蟹猕猴动物模型可以帮助科学家为一些神经发育障碍疾病开发出更好的治疗方案.'

小鼠模型不理想 通过小鼠模型研究自闭症和其它神经发育障碍,已经开发出一些进入临床试验的药物,但是到目前为止,都没有达到预期的结果,许多制药机构也已经放弃相关临床试验.

研究人员表示,小鼠没有高度发育的脑前额叶皮质,而这是灵长类动物独特特征的基础,比如决策/注意力持续集中和翻译社交信号.由于在神经和行为上自闭症小鼠模型与人有很大不同,相关疗法和药物的研究努力也就并不理想.

2016 年, Nature NeuroSCIence 发表了来自冯国平等人撰写的综述称,精神疾病的研究进展缓慢,原因有很多,但其中最重要的是缺少良好的动物模型.因为人类和常用的啮齿类动物模型在大脑和行为之间的差异巨大.论文呼吁,在基因编辑等精准技术迅速发展的背景下,灵长类动物不仅能应用于人体临床试验前的药代动力学和毒理学研究,也可以用于疗效的临床前研究,这样有可能大大提高我们开发新疗法/治疗这些难治性疾病的能力.

论文通讯作者之一/中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所研究员周晖晖表示,非人灵长类动物模型与人类在进化上接近,在大脑结构与功能方面与人类有诸多相似之处.例如,灵长类动物模型具有比较发达的大脑前额叶皮层,这一结构恰恰是掌管决策/注意力和社交等行为的核心,而这些行为产生障碍与自闭症等脑疾病密切相关,因此,"非人灵长类有望成为模拟部分人类脑疾病的比较理想的动物模型.'

"我们迫切需要新的治疗方式来治疗自闭症,但迄今为止,在小鼠身上开发的治疗方式不尽如人意.虽然对小鼠的研究仍然非常重要,但是我们相信,灵长类动物基因编辑模型将帮助我们开发出更好的药物,甚至有可能为一些严重的自闭症提供基因疗法.'麻省理工学院麦戈文脑研究所主任/Doris 和 Don Berkey 神经科学教授 Robert Desimone 说,他是本文作者之一.

CRISPR 基因编辑技术的出现和发展,为将基因变异引入猕猴体内提供了难得的机会.CRISPR 基因编辑系统包括一种 DNA 剪切酶 Cas9 和一段短 RNA 序列,这一序列会引导酶到基因组特定区域,CRISPR 基因编辑系统可以用来破坏基因或定点插入新的基因序列.

更重要的是,中国在灵长类动物生殖技术领域有领先地位.2016 年初,中国科学院神经科学研究所研究员仇子龙利用转基因技术培育出能表现出类似自闭症行为的猴子,他给猴子转入了一个叫 MeCP2 的基因.2018 年底,世界上首对体细胞克隆猴"中中'和"华华'在中国科学院神经科学研究所诞生,相关成果也以封面论文的形式发表于 2018 年 1 月的 Cell 杂志.2019 年 1 月 24 日,5 只生物钟紊乱体细胞克隆猴登上中国综合英语期刊<国家科学评论>封面,标志着中国体细胞克隆技术走向成熟.

八年磨一剑 在这项最新研究中,中美科研团队也是立足于中国的灵长类生殖技术,通过 CRISPR 编辑技术改造猕猴受精卵来创建携带 Shank3 突变的胚胎.

创建灵长类动物基因变异模型并不容易.从 2011 年,周杨(也是最新 Nature 研究的第一作者)在麻省理工学院开发小鼠自闭症模型算起,到现在建立猴子模型已经过去了 8 年,可谓 8 年磨一剑.因为小鼠没有完整的前额皮质,而这块大脑区域被认为是人格/决策和更高级认知功能的所在地.研究人员开始怀疑小鼠是否适合作为理想的自闭症模型.

起初,冯国平对狨猴着手.这种猴子非常小,它们的饲养费用较低,繁殖快.但猕猴与人类的关系更密切,其大脑更接近人类大脑,那么 Shank3 缺陷型猴子就可能会有一些与自闭症患者类似的表现,这正是自闭症的理想模型.而猕猴的繁育和模型开发正是中国研究人员的长项,这也是冯国平找到中国合作者的根本原因.

即使有了 CRISPR 技术,培育自闭症猴子模型也非易事.研究人员用细长的玻璃针把 CRISPR 蛋白质注入到培育的胚胎中,但只有一些胚胎会产生预期的突变.一般而言,数十个卵子才能成功培育出一只猴子,所以即使只培育几只 Shank3 缺陷型猴子,也需要大型养殖基地的支持.

麻省理工学院研究人员则通过分析大量数据,发现带有 Shank3 突变的猕猴表现出与人类该基因突变相似的行为模式.这些猴子倾向于在夜间频繁醒来,出现重复性行为,参与的社会互动也更少.

图 | 磁共振成像显示 Shank3 突变体对脑结构的改变(冯国平供图)

通过核磁共振成像(MRI)扫描,这些猴子也显示与人类自闭症相似的模式.它们的神经元在纹状体和丘脑中表现出功能连接的减少,而纹状体和丘脑既负责传递感觉和运动信号,也参与睡眠调节.

值得一提的是,在中国进行灵长类动物研究的研究公司是由国际实验动物管理评估与认证协会(AAALAC)国际认可的.AAALAC 是一家私人非营利组织,通过自愿认证和评估项目来促进科学界对动物的人道待遇.

助力药物研发 研究人员希望在明年开始测试对自闭症相关症状可能产生影响的疗法或药物.他们也希望确定一些生物标记物,例如在核磁共振扫描中看到的独特功能性大脑连接,将帮助他们评估药物是否有效.

类似的方式也可以用于研究由基因突变引起的其它类型神经系统疾病,例如雷特综合症和脆性 X 综合症.脆性 X 综合症是世界上最常见的遗传性智力缺陷疾病,影响大约四千分之一的男性和八千分之一的女性.而雷特综合症更为稀有,几乎只发生在女孩身上,在语言和运动技能方面造成严重障碍,还可能引起癫痫和呼吸问题.

"考虑到小鼠动物模型的局限性,患者的确需要这种新的进展来给他们带来希望,'冯国平说,"我们不知道是否可以成功研究出新疗法,但是在未来几年,我们将看到这一新模型怎样帮助研究人员将实验室研究成果转化到临床上去.'

图 | 麻省理工学院教授冯国平(来源:MIT)

专访冯国平 动物模型是治疗自闭症长征路上的重要一环,而猴子模型则是最紧接人体临床试验的一步.

DeepTech:请您介绍一下这项研究的思路,为什么要选猴子?为什么用基因编辑技术?

冯国平:要研究人类的大脑有关疾病,我们是完全依赖于动物模型的,因为您不容易得到人的脑组织,这不像研究肿瘤,外科医生是比较容易得到肿瘤组织的.但是若要研究自闭症或者抑郁症,您就不可能拿到这些脑组织.

动物模型是很重要的,那么以前的突破就很少,为什么现在才可以做一些模型?因为最近十年发现,一些疾病与基因突变有直接的关系,有一部分严重的自闭症是由单个基因突变引起的,所以这就提供了一个很好的研究入口.

我们就可以用动物模型来验证该基因突变会不会引起自闭症.

那么我们选了 Shank3 基因,首先因为这个基因研究的非常清楚,是单基因的突变就可能引起自闭症,并且 85% 左右的该基因突变者是被诊断为自闭症的.所以这是一个非常好的案例.

我们对这个基因的基础研究已经做了很多了,知道它表达在神经元的突触上,也做了很多小鼠模型研究,但是要研究比较高端的一些行为,比如说社交认知,小鼠模型就比较困难了.因为它和人差别很大,神经环路不一样,很多地方的脑区都不一样,小鼠和灵长类最大的差别就是前额皮质.所以很多小鼠研究结果非常好,但到临床药物实验上很多都失败了.

我们就想,是不是需要更好的/脑结构和脑功能与人更接近的动物来做模型,这是我们做猴子模型的初衷.

这个模型现在看来还是比较初步的,从猴子的行为学与核磁共振结果来看,我们看到了明显的差异,可以用来测试药物和基因治疗,并且还可以帮助我们进行生物标记物的研究.

DeepTech:怎样评价这次研究的突破?

冯国平:主要还是建立了一个新的自闭症模型,这就提供了一个将来测试基因治疗和药物试验的平台,提高了临床转化的可能性.

其次,从行为学和大脑结构上来看,我们确实看到了和正常猴子不一样的地方,我们将进一步去研究这些和人的大脑变化是不是有类同之处.

DeepTech:您们这次研究团队的分工是怎样的?

冯国平:这是一个很大的工程,实际上任何一个单位单方面都不太可能做成的,所以我们很强调合作的重要性.

中国和美国的团队各有优势.杨世华老师和项鹏老师擅长做猴子繁育和基因编辑操作,还有这些受精卵的操作.我们这边做基因编辑设计/数据分析/行为实验设计.还有中国科学院深圳先进技术研究院是猴子的繁育基地.

DeepTech:怎样与中科院神经科学研究所仇子龙的猴子自闭症模型对比?

冯国平:有两个方面不同.一个方面是技术上,它用了慢病毒做载体,把会导致自闭症的基因转了进去,是转基因的技术,转移基因的位点是随机.我们用的是更精确的基因编辑技术,是完全模仿人在基因组上确定位点的基因突变. 另一个是基因的不同.他们用的是甲基化 CpG 岛结合蛋白 2(MeCP2)的基因,当该基因拷贝数异常增多时,会导致严重自闭症, Shank3 基因则是突变就会导致自闭症.

DeepTech:您们是什么时候开始做这个项目的?

冯国平:我实际上对儿童的疾病特别感兴趣.我是浙江医科大学毕业,在医学院的时候我很想做儿科医生,但是后来发现真正严重的儿童疾病,没有什么好的治疗方式,所以后来对自闭症就特别感兴趣,这类精神疾病很多是小孩或者年轻人.

有个大学朋友因为精神分裂症自杀的,我当时想这么聪明的人怎么突然就变得这么奇怪了,后来就一直对精神类疾病比较感兴趣,特别是对小孩的精神疾病比较感兴趣.

2000 年我就开始做这方面的工作了,就开始做神经突触的工作,后来用小鼠的模型来研究,思路是一贯下来的.但是您能做到哪一步,这要看科技技术的发展.基因技术给我们神经科学家提供做动物模型的机会.

包括这次研究也请 CRISPR 带头人/麻省理工学院的张锋教授帮忙设计实验.其实在他读研究生的时候我们就有合作.

DeepTech:为什么灵长类的模型很难做呢?

冯国平:这要问为什么做小鼠那么容易,因为小鼠干细胞容易培养,技术也很成熟,它的干细胞可以无穷分裂,哪怕实验效率很低,比如说百万分之一,都没问题.

猴子就不容易.首先,大型动物的繁育生殖技术并非人人都拥有.中国科学院昆明动物所的季维智很擅长这方面,这次我们合作的华南农业大学杨世华就是他的博士后.第二,因为猴子不容易繁育,那么就要求遗传实验高效率.有了基因编辑技术,我们才能高效率地进行猴子基因改造,而不是像小鼠那样大规模繁育来进行实验.

DeepTech:我们人类到目前为止对自闭症了解其实还是很少的,从药物治疗到基因治疗也还很不成熟,那么我们目前只能做小鼠的模型,进一步做到灵长类模型,再进一步就是人的临床实验是吧?

冯国平:是这么一个操作.不管小鼠模型还是灵长类模型,都是帮我们更多地从神经生物学的角度去理解这些疾病,找出靶点来帮我们测试有效的治疗方式,这是最主要的目的,也是唯一的目的.

DeepTech:您们下一步是什么考虑呢?

冯国平:下一步就是说,我们从小鼠研究得到的成果,在猴子身上得到验证,以及探索可能的治疗方式.此外,我们正在研究基因疗法,必须在这个动物模型上研究清楚.

DeepTech:还有个问题,美国对动物伦理讲的比较多,中国考虑比较少,这是在中国做灵长类研究的优势吗?

冯国平:这个是完全不对的.我们现在做这个事情,第一点就把大家所有的动物伦理观点都提到同一个水平.所以我们的研究通过国际实验动物管理评估与认证协会的国际认可,这个是符合国际标准的. 中国国内对此也很重视,这非常重要.

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