金皇朝2


通过猴子研究人类?当然可以 先从基因开始!

非人灵长类,也就是各种猴子对于神经科学研究者而言有着非比寻常的意义,毕竟放眼整个世界,也就这群猴哥有着可以勉强比肩人类的大脑了。

在今天的生命科学研究当中,一切生命现象都必须落实到基因上,就像物理学研究要把一切都落实到四种基本作用力上一样。可以说,理解猴子的大脑,本质上也是要理解猴子的基因。

理解猴子的基因?这可不容易

那么怎样才能理解基因呢?这个事情其实有点像是修汽车。如果你想了解某个汽车零件的功能,最简单粗暴的办法就是把这个零件拆了、改了或是多装几个,看看汽车会出现什么变化。对应到基因的研究上,就是把基因敲除、敲入或是过表达。

以CRISPR/Cas9等为代表的新一代基因编辑工具的出现,使得基因操作相对于十年前容易了许多,不过把这些技术应用在猴子身上依然困难重重。因为猴子有一些特点,比如说生育周期特别长,繁殖一代要五六年,而且一次只生一只猴子;饲养成本各方面也是居高不下。

所以有些基因操作在老鼠这种繁殖快又好养的小动物身上可能非常容易,大不了试个几千上万只老鼠,枪打多了总有中靶的嘛;但是同样的操作移植到猴子身上就行不通了。实际上,对猴子进行基因编辑一直以来就是国际性难题,要是放到十年前根本就是个无法想象的事情。

不过,我国的科学家一直以来都在进行这方面的尝试,这次中国的脑计划也是把非人灵长类作为一个重点的,而且最近几年的确是成果不断。

比如在2016年,中科院神经所的仇子龙和孙强合作,成功实现了猴子的基因过表达,并制作出了孤独症的猴子模型;在2017年,杨辉、熊志奇以及孙强合作,又通过基因敲除,成功做出了一种患有神经系统遗传病的猴子模型。

基因敲入怎么办?

给茶杯加点装饰也不简单

在对基因的各种操作当中,过表达和敲除都属于比较粗放的工作,而接下来要说的基因敲入则是个精细活。

还是打个比方来说,如果生物体是个桌子,基因就是桌子上面放的好多茶杯。

基因敲除就是设法让其中一个茶杯坏掉,至于怎么坏法无所谓,弄碎也行,在上面钻个洞也可以,怎么方便怎么来;过表达就是要让桌子上多几个特定的茶杯,这些多出来的茶杯出现在桌子的哪个位置也无所谓。

但是基因敲入不一样,它相当于要在某个茶杯上加点装饰,好比说给它装个把手,这把手装在哪、装成啥样都是限制死的。当然,这里并不是说基因的过表达和敲除就一定简单,只能说各有各的难点。

细胞犯错?这就是我们想要的

为此实现猴子的基因敲入,笔者所在团队测试了好几个方案,不过总体来讲,这些方案都是利用了细胞的一种“自我修复机制”。

细胞里面的DNA每时每刻都会受到伤害,比如有些人喜欢抽烟,烟里面的一些有害物质便会进入细胞里与DNA发生一些化学物理的作用,可能就让DNA断裂成了好几段。不过,细胞有很多修复DNA的机制,可以把断成一堆片段的DNA重新“粘”回一起去。但是断裂的DNA就像是散成一堆的拼图一样,并不是那么容易拼回去的,细胞也不是每次都能拼对。所以频繁的DNA损伤才会导致基因突变,引发癌症等疾病。

我们的技术方案其实就相当于利用了细胞犯的错误。首先,我们利用CRISPR/Cas9,非常精确地在指定的位置切断DNA链。然后,细胞肯定就会试图修复这里的DNA断裂。这时候,我们故意塞给细胞一大堆我们人工合成的DNA片段。就像是你在拼拼图,我故意撒给你一些实际上不属于这张拼图的碎片,但是这些碎片也能很好地镶进你的拼图里。这样一来,细胞就有很大可能错把我们塞进去的人工DNA片段拼进细胞的DNA当中。这些人工DNA片段完全可以按照我们的意愿来随意设计,这样就实现了精确、高效地定点插入我们想要的DNA片段的目标。

对猴子胚胎的实验:成功且高效

我们先在老鼠身上试用了这个方法,结果非常成功。

接下来就与神经所非人灵长类平台的孙强老师一起合作,在猴子的Actb基因当中的某个特定位置上插入了一个特殊的荧光标记。这样一来,凡是表达这个基因的细胞都会发出红色荧光。实验表明,基因敲入可以高效地在猴子胚胎上实现,研究成果在2017年5月的Cell Research上发表。

通过优化实验系统和一系列的条件摸索,我们进而将基因编辑过的胚胎移植到代孕的猴妈妈体内,最后生下了五只小猴。通过表皮荧光检查,它们果然表达了红色荧光,跟我们预期的一样。下图就是带荧光标记的猴子。

除了成功诞生的小猴外,还有一些猴子胚胎流产了。这是因为实验操作必须把猴子的卵子取出来,在体外受精然后再移植回去,多多少少会有一点点损伤。就跟人类的试管婴儿一样,一部分胚胎可能会因此流产。按照实验动物伦理规范,活着的猴子不能杀掉,但是这些流产的以及出生后死亡的胎儿就可以拿去做尸体解剖。结果发现,在这些猴子的内脏器官等部位,红色荧光的分布和我们预期的一模一样。这说明了我们的确成功制作出了基因敲入的猴子。

当然,目前的基因敲入猴子只是能发出红色荧光而已,还不能直接用在神经科学研究当中。在以后的工作中,我们将会进一步深化这个一技术的应用,制作出真正具有神经科学研究价值的猴模型。

这些猴模型对于人类理解大脑的结构和功能,以及治疗许多神经系统疾病,比如阿尔兹海默病、帕金森病等有着非常巨大的潜力。

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