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新科普|大脑中的“窃符救赵”
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来源:上观新闻 作者:唐骋 2018-01-20 18:09
摘要:人体内的每一个细胞其实就像是一个个小国家,国君便是细胞核,细胞核里 DNA 上的基因就是它的行政命令

公元前257年,秦军围困赵国都城邯郸,赵国向魏国求援,然而魏安釐王优柔寡断,虽派大将晋鄙率十万大军前去,却又作壁上观。于是魏公子信陵君窃取魏国兵符,假传魏王旨意,杀晋鄙,夺兵权,乃解邯郸之围。这就是“窃符救赵”的故事。

 

如今,科学家在小小的脑细胞里也上演了这一幕。来自中科院神经科学研究所的杨辉博士与来自上海科技大学的黄鹏羽博士合作,成功地假传了细胞核的“旨意”,将小鼠大脑中的胶质细胞转分化成了神经元,这项研究发表在了1月15日的《自然·神经科学》上。

 

 

人体内的每一个细胞其实就像是一个个小国家,国君便是细胞核,细胞核里 DNA 上的基因就是它的行政命令,每时每刻,细胞核都在向整个细胞下达旨意。它表达自己 DNA 中的特定基因,重重传达到对应的部门,也就是特定的细胞器中,从而提纲挈领地指挥整个细胞的运作。

 

虽然这细胞核看似位高权重,但实际上它的指令受到一大堆细胞内信号网络的调控,一切都得依法办事,并不能为所欲为。因此细胞才能在整体上高效而稳定,要在这么一个水泼不进的体系里掺进一条假信息可没那么容易。

 

不过好在办法总比问题多,我们想到了生命科学的最新技术 CRISPR/Cas9 , CRISPR/Cas9 就像是一枚精确制导的基因导弹,可以精确摧毁目标基因。不过这一回,咱们毕竟只要“假传圣旨”不是“弑君谋反”,下手太重了不合适。在现实情况中,直接改变 DNA 序列有时会引发诸如癌症之类的问题,总之是不太安全,用在医疗上不免让人心有戚戚。

 

因此我们得先对 CRISPR/Cas9 做点修改,很早之前就有人发现,对 CRISPR/Cas9 做一些小改动,就能抹去 CRISPR/Cas9 切割基因的能力,让这基因精确制导导弹变成了一发“精确制导哑炮”,只精确命中,但不会造成破坏,这种不具切割作用的 CRISPR/Cas9 被称为 dCas9 。

 

那这一发哑炮有啥用呢,这就有意思了。我们知道,皇帝要拟一道圣旨,肯定不会亲自去查资料打草稿吧,一般都是找几个秘书,交代一通然后各干各的。细胞也是一样,细胞核里的基因要表达,也需要一些秘书的帮忙,这些秘书就是所谓的“转录复合物”,这些转录复合物结合在哪个基因上,哪个基因才能表达。

 

所以,我们就把一种具有转录复合物功能的蛋白质“捆绑”在 Cas9 上,使之精确“空降”在特定的基因上。这就像是在皇帝的秘书团队里混进一个奸细,从而假传皇帝的旨意。不过这细胞作为一个“依法办事”的系统,纠错能力相当强大,这点小把戏也很难每次都瞒天过海。因此虽然早在2013年起就有人做过这方面的尝试,在体外培养的细胞中也取得了不错的效果,不过一旦把这技术用到活的动物身上,结果就往往不尽人意。

 

对此,杨辉实验室的博士后,论文的第一作者周海波博士想到了一条颇有几分暴力美学色彩的解法,如果一个奸细解决不了,那就上两个,两个也不行就再多上一些……最后,通过参考一些前人的方案加上一些自己的改进,周博士设计了一个捆绑着十个“奸细”的 dCas9 系统,终于把这假传圣旨的功夫打磨到了极致。在体外测试中,这套系统可以让某个基因的表达水平提升好几千倍之多。

 

既然这套系统如此高效又安全,我们立刻就想到其作为一种医疗技术的巨大潜力。许多老年人都会患上所谓的“神经退行性疾病”,比如帕金森病或阿尔兹海默病等等,这些疾病的共同特点就是脑中某些神经细胞大量死亡,最终不可避免地影响到了脑功能。

 

而对此的解决思路之一,就是补充神经细胞来顶替之。在很久之前就有科学家提出,将胶质细胞转分化成神经细胞或许是一条出路。所谓的胶质细胞相当于脑子里的勤杂工,主要负责干各种脏活杂活,比如填充缝隙,吞噬坏死细胞的碎片等等。与终身不分裂的神经细胞不同,这些胶质细胞一直都会旺盛地分裂,毕竟体力活很需要人手嘛。

 

那么让胶质细胞“提拔”成为神经细胞不就解决问题了吗?但这可不容易,胶质细胞转化成神经元的过程经常需要表达好几种不同的基因。传统的做法或是无法表达足够多的基因,以至于效率低下,变出的神经细胞压根不够用;或是操控基因表达的手段过于粗暴,结果超级变变变,一不小心没变出神经细胞反而变成了癌细胞。

 

这时我们的系统就能派上用场了,只需假传几道“圣旨”,以其能让基因表达增强几千倍的威能,足以高效地将胶质细胞转化成神经细胞,更难能可贵的是,它们事后不会留下任何痕迹,诚乃“事了拂衣去,深藏功与名”。安全性也是没得说。

 

我们在小鼠身上测试了一下这套系统,果不其然,小鼠脑中的胶质细胞纷纷变成了神经细胞,而且这些新提拔上来的神经细胞和原有的神经细胞几乎一模一样。

 

最后更为惊叹的是,利用这套系统我们可以同时在小鼠脑内激活多达十个基因,而且不会对 DNA 造成任何损伤,这是以前的技术都无法做到的,我们正在论证这套系统在临床和科研上的更多应用,期待着它会让我们的生活变得更美好。 

 

作者单位:中科院神经科学研究所

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:视觉中国 图片编辑:苏唯
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