研究人员使用CRISPR-一种革命性的新基因工程技术 - 将从小鼠结缔组织分离的细胞直接转化为神经细胞。2006年，当时京都大学边境医学研究所教授山中伸弥(Shinya Yamanaka)发现了如何将称为成纤维细胞的成体结缔组织细胞恢复为可以分化成任何细胞类型的未成熟干细胞。这些所谓的诱导多能干细胞因其在研究和医学方面的承诺而在六年后赢得了Yamanaka的诺贝尔医学奖。

从那以后，研究人员发现了在不同类型之间转换细胞的其他方法。这主要是通过引入许多额外的“主开关”基因拷贝来完成的，这些基因产生蛋白质，这些蛋白质打开了负责产生特定细胞类型的整个遗传网络。

现在，杜克大学的研究人员已经开发出一种策略，可以避免需要额外的基因拷贝。相反，使用CRISPR基因工程技术的修改来直接打开已经存在于基因组中的天然拷贝。

这些早期结果表明，新转化的神经元细胞显示出比将新基因永久添加到基因组中的方法更完整和持久的转化。这些细胞可用于模拟神经系统疾病，发现新疗法，开发个性化药物，并可能在未来实施细胞疗法。

该研究于2016年8月11日发表在Cell Stem Cell杂志上。

“这项技术在科学和医学方面有很多应用。例如，我们可能对大多数人的神经元对药物的反应有一个大概的了解，但我们不知道你的特定神经元如何对你的特定神经元有反应，”查尔斯格斯巴赫，鲁尼家族生物医学工程副教授，杜克生物分子与组织工程中心主任。“采取大脑活检来测试你的神经元不是一种选择。但如果我们可以从你的手臂取一个皮肤细胞，把它变成一个神经元，然后用各种药物组合治疗它，我们就可以确定一个最佳的个性化治疗方法。 “

“挑战在于有效地生成稳定的神经元并具有看起来像真正神经元的遗传编程，”领导这项工作的Gersbach实验室的研究生Joshua Black说。“这一直是这一领域的主要障碍。”

20世纪50年代，为发育生物学奠定基础的英国发育生物学家Conrad Waddington教授认为，将未成熟的干细胞分化为特定类型的成体细胞可以被认为是从山脊的一侧滚下到许多山谷中的一个。 。对于每个路径，单元格取下特定的斜率，其最终目的地的选项变得更加有限。

如果你想改变那个目的地，一个选择是将细胞垂直推回山上 - 这就是将细胞重编程为诱导多能干细胞的想法。另一种选择是将其水平向上推，越过山丘，直接进入另一个山谷。

“如果你有能力专门打开所有的神经元基因，也许你不必回到山上，”格斯巴赫说。

以前的方法通过引入注射额外拷贝基因的病毒来实现这一目的，以产生大量称为主转录因子的蛋白质。每种细胞类型都是独特的，这些蛋白质与基因组中的数千个位点结合，打开了这种细胞类型的特定基因网络。然而，这种方法有一些缺点。

“不是使用病毒永久性地引入现有基因的新拷贝，而是提供一种能以稳定方式改变细胞类型的临时信号，”Black说。“然而，以有效的方式这样做可能需要对细胞的遗传程序进行非常具体的改变。”

在这项新研究中，Black，Gersbach及其同事使用CRISPR精确激活三种基因，这三种基因自然产生控制神经元基因网络的主转录因子，而不是让病毒引入这些基因的额外拷贝。

CRISPR是细菌防御系统的修改版本，其靶向并切割熟悉的入侵病毒的DNA。然而，在这种情况下，系统已被调整，因此不涉及切片。相反，识别特定DNA片段的机器保持完整，并且它已被连接到基因激活剂上。

在实验室中将CRISPR系统施用于小鼠成纤维细胞。测试表明，一旦被CRISPR激活，三个神经元主转录因子基因就可以强有力地激活神经元基因。这导致成纤维细胞传导电信号 - 神经细胞的标志。甚至在CRISPR激活剂消失后，细胞仍保留其神经元特性。

“当使用由病毒制造的主转录因子对细胞进行爆破时，有可能使细胞表现得像神经元一样，”格斯巴赫说。“但如果他们真正成为自主运作的神经元，那么他们就不应该要求持续存在外部刺激。”

实验表明，新的CRISPR技术产生的神经元细胞在靶基因上具有表观遗传程序，与小鼠脑组织中天然存在的神经元标记相匹配。

“用病毒引入额外遗传拷贝的方法产生了许多转录因子，但这些基因的原生拷贝很少，”布莱克解释说。“相比之下，CRISPR方法总体上并没有产生尽可能多的转录因子，但它们都是从正常的染色体位置产生的，这是一个强大的差异，因为它们被稳定激活。我们正在翻转表观遗传转换来转换细胞类型而非驱使它们综合起来。“

根据布莱克的说法，接下来的步骤是将方法扩展到人体细胞，提高技术的效率，并尝试清除其他表观遗传障碍，以便它可以应用于模拟特定疾病。

“在未来，你可以想象制造神经元并将它们植入大脑以治疗帕金森病或其他神经退行性疾病，”格斯巴赫说。“但即使我们没有达到那么远，你可以在实验室里做很多事情来帮助开发更好的治疗方法。”