研究人员已经使用CRISPR(一种革命性的新基因工程技术)将从小鼠结缔组织中分离出来的细胞直接转化为神经元细胞。

2006年，当时京都大学前沿医学研究所的教授山中伸弥(Shinya Yamanaka)发现了如何将成年结缔组织细胞(称为成纤维细胞)还原为不成熟的干细胞，该干细胞可以分化为任何细胞类型。这些所谓的诱导性多能干细胞因其在研究和医学领域的承诺而在短短六年后获得了山中奖的诺贝尔医学奖。

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“主开关”基因的额外副本来完成的，这些副本会产生可打开负责产生特定细胞类型的整个遗传网络的蛋白质。

现在，杜克大学的研究人员已经开发出一种避免额外基因拷贝的策略。取而代之的是，使用CRISPR基因工程技术的一种改进来直接打开基因组中已经存在的天然拷贝。

这些早期结果表明，与将新基因永久添加到基因组的方法相比，新转化的神经元细胞显示出更完整和持久的转化。这些细胞可用于建模神经系统疾病，发现新疗法，开发个性化药物以及可能在将来实施细胞疗法。

该研究于2016年8月11日发表在《细胞干细胞》杂志上。

“这项技术在科学和医学上有许多应用。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致的了解，但我们不知道您的特定神经元和您的特定遗传学将如何反应，”鲁尼家族生物医学工程副教授查尔斯·格斯巴赫(Charles Gersbach)说道。杜克大学生物分子与组织工程中心主任。“对大脑进行活组织检查以测试神经元不是一种选择。但是，如果我们能够从您的手臂上获取皮肤细胞，将其转变为神经元，然后用多种药物组合治疗，我们就可以确定最佳的个性化疗法。”

“挑战在于如何有效地产生稳定的神经元，并具有看起来像您真正的神经元的遗传程序，”领导这项工作的Gersbach实验室的研究生Joshua Black说。“这是该领域的主要障碍。”

1950年代，英国发育生物学家康拉德·沃丁顿教授(Conrad Waddington)奠定了发育生物学的基础，他建议将未成熟的干细胞分化为特定类型的成年细胞，可以认为是将山脊的一侧翻滚成许多山谷中的一个。随着单元的每条路径沿特定的坡度下降，其最终目的地的选择变得更加有限。

如果要更改目的地，一种选择是将细胞垂直推回山峰，这就是将细胞重新编程为诱导性多能干细胞的想法。另一种选择是将其水平向上推过山丘，然后直接进入另一个山谷。

格斯巴赫说：“如果您有能力特异性地打开所有神经元基因，那么也许您不必上山了。”

先前的方法通过引入病毒来注入病毒，该病毒注入额外的基因副本以产生大量称为主转录因子的蛋白质。这些蛋白质对于每种细胞类型都是独特的，它们与基因组中的数千个位置结合，从而开启了该细胞类型的特定基因网络。然而，该方法具有一些缺点。

布莱克说：“与其使用病毒永久引入现有基因的新拷贝，不如提供一种能够稳定改变细胞类型的临时信号。”“但是，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特定的改变。”

在这项新研究中，Black，Gersbach和同事使用CRISPR来精确激活三个基因，这些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是细菌防御系统的改良版，可靶向并切碎常见入侵病毒的DNA。但是，在这种情况下，系统已经过调整，因此不涉及切片。取而代之的是，识别特定DNA片段的机制保持完整，并被拴在了基因激活因子上。

在实验室中，将CRISPR系统用于小鼠成纤维细胞。测试表明，一旦被CRISPR激活，这三个神经元主转录因子基因就可以强烈激活神经元基因。这导致成纤维细胞传导电信号，这是神经元细胞的标志。甚至在CRISPR激活剂消失后，细胞仍保留了它们的神经元特性。

格斯巴赫说：“当用病毒产生的主要转录因子轰炸细胞时，就有可能使细胞像神经元一样运转。”“但是，如果它们确实已真正成为具有自主功能的神经元，那么它们就不需要持续存在这种外部刺激。”

实验表明，新的CRISPR技术在目标基因上产生了具有表观遗传程序的神经元细胞，该基因与小鼠脑组织中天然存在的神经元标记相匹配。

“用病毒引入额外的基因拷贝的方法会产生许多转录因子，但这些基因的天然拷贝却很少。”布莱克解释说。相比之下，CRISPR方法并没有产生那么多的转录因子，但是它们都是从正常的染色体位置产生的，这是一个有力的区别，因为它们被稳定地激活了。我们正在翻转表观遗传开关来转换细胞类型，而不是驱动它们进行合成。”