使用CRISPR干扰和单细胞转录组学系统地检查炎症反应状态

星形胶质细胞或星形胶质细胞是中枢神经系统(CNS)中最大的神经胶质细胞群具有许多重要功能。除其他外这些神经胶质细胞(即支持神经系统功能的细胞)参与调节大脑中的血液流动以及在感染或外伤后修复大脑或脊髓。

当CNS受伤或发炎时星形胶质细胞会变得高度反应遵循特定于环境或神经事件的独特细胞特征。虽然星形胶质细胞的反应性细胞特征现已得到充分证明，但它们背后的分子机制仍然知之甚少。

加利福尼亚大学、范德比尔特大学和西奈山伊坎医学院的研究人员最近开展了一项研究，旨在结合遗传技术，更好地了解不同炎症状态下不同星形胶质细胞反应模式的分子基础。他们的发现发表在《自然神经科学》上，使他们能够识别受特定蛋白质调节的不同炎症反应特征。

“我的项目是围绕使用基于CRISPR的功能基因组学(即遗传扰动技术)来系统研究驱动星形胶质细胞反应性的细胞过程的想法而建立的，这可以广义地理解为星形胶质细胞对中枢神经系统损伤的反应，”来自加州大学旧金山分校Kampmann实验室的论文的第一作者KunLeng告诉MedicalXpress。“由于反应性星形胶质细胞是在多种难以在体外建模的病理环境下诱导的，因此我选择关注由炎性细胞因子(即促进炎症的信号分子)诱导的星形胶质细胞反应性。”

Leng和他的同事使用的实验方法受到了ShaneLiddelow2017年在Nature上发表的一篇论文的启发。在这项工作中，Liddelow表明，由活化的小胶质细胞在体内释放的细胞因子IL-1α+TNF+C1q在体外诱导了一种病理性炎症反应，可能与某些人类神经退行性疾病和神经炎症疾病有关。

“由于细胞状态在很大程度上取决于细胞的基因表达谱，因此使我们能够识别由IL-1α+TNF+C1q诱导的不同炎症反应状态的关键工具是单细胞RNA测序，它捕获单个细胞的基因表达谱，”Leng解释说。“这使我们能够识别这些状态的标记(即，与我们观察到的两种炎症状态中的任何一种都相对不同的表达基因)。”

用IL-1α+TNF+C1q处理的iPSC衍生的星形胶质细胞中炎症反应状态标志物(绿色-C3，红色-IFIT3)的免疫染色。信用：冷等人。

Leng和他的同事观察了由Liddelow确定的细胞因子诱导的两种不同的炎症反应状态，然后确定了这些状态的遗传标记。随后，他们进行了流式细胞术实验，这也使得对单个细胞的密切观察成为可能。在这些实验中，他们使用了针对这些标记的抗体，以确定使用遗传扰动来扰动某些基因转录因子、激酶或受体如何影响两种状态的平衡。

“从方法学的角度来看，我们的研究首次将需要大量细胞(数亿范围)的CRISPRi筛选应用于iPSC衍生的星形胶质细胞，”Leng说。“我们能够以可扩展的方式生产iPSC衍生的星形胶质细胞，方法是建立在之前确定合适的商业星形胶质细胞培养基的工作以及通过胶质生成转录因子的过度表达加速星形胶质细胞分化的工作的基础上。尽管研究星形胶质细胞存在局限性在体外(对于任何细胞类型)，我们相信将基于CRISPR的筛选应用于iPSC衍生的星形胶质细胞将有助于研究星形胶质细胞生物学的重要方面。”

这组研究人员最近的工作为调节CNS中不同炎症反应状态的遗传标记提供了新的有价值的见解。从本质上讲，Leng和他的同事表明，细胞因子的混合物可以通过相互反调节的信号通路诱导不同的细胞状态。

值得注意的是，之前发现影响他们确定的特征的遗传标记在受多种神经系统疾病影响的人的大脑中被上调，包括阿尔茨海默病和缺氧缺血性脑病(即由于血液流动减少而发生的脑损伤)。给大脑供氧)。将来，他们的工作可以为开发新的治疗工具提供信息，以选择性地调节炎性星形胶质细胞反应性的特定方面，从而有可能改善目前对某些神经系统疾病的理解和治疗。

在接下来的研究中，研究人员希望研究他们在实验中观察到的两种炎症反应性星形胶质细胞状态的功能。此外，他们计划将调节这些反应状态的策略转化为工具，使医学研究人员能够选择性地放大或抑制它们。

“我们的下一个前沿现在是在活体小鼠中建立星形胶质细胞和其他细胞类型的CRISPR筛选，”该论文的资深作者MartinKampmann告诉MedicalXpress。“这将使我们能够了解在健康和疾病的大脑背景下是什么控制了细胞状态，并揭示了我们如何重新编程细胞状态以获得治疗益处。”

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