Nature重磅！CRISPR–Cas9 篩選揭示神經干細胞衰老調控因子

各位讀者好，今天解讀的文章是10月最新發表在《Nature》（Q1，IF69.5）上的，題為‘CRISPR–Cas9 screens reveal regulators of ageing in neural stem cells’，中文譯名：CRISPR–Cas9 篩選揭示神經干細胞衰老調控因子。?

我們知道神經干細胞（NSCs）是大腦中的一類重要細胞，它們在成年期負責新神經元的生成和腦損傷后的組織修復。然而，隨著年齡的增長，NSCs的功能會逐漸下降，導致新神經元產生減少和損傷后再生能力下降。

盡管過去已有研究通過遺傳干預改善了老年大腦的功能，但對老年NSCs的系統性功能測試尚未進行。因此，本篇文章旨在通過開發體外和體內高通量CRISPR–Cas9篩選平臺，系統地鑒定能夠促進老年小鼠NSCs激活的基因敲除，這些研究不僅為理解老年NSCs的功能衰退提供了新的分子機制，也為開發抗衰老干預措施提供了潛在的靶點和新措施

研究人員首先在體外建立了基于CRISPR–Cas9的基因敲除篩選平臺，通過在年輕和老年小鼠的NSCs原代培養中進行全基因組篩選，鑒定出能夠特異性恢復老年NSCs激活的基因敲除。接著，研究人員在體內建立CRISPR–Cas9篩選平臺，通過在老年小鼠大腦中進行基因敲除，鑒定出能夠促進NSCs激活和新神經元產生的基因。

體外篩選平臺的建立

1. sgRNA的設計：研究人員首先根據目標基因序列設計特定的單鏈引導RNA（sgRNA）。

2. 構建編輯載體：將設計好的sgRNA序列克隆到表達Cas9蛋白的質粒或病毒載體中。

3. 細胞轉染：將構建好的CRISPR–Cas9載體導入目標細胞，如神經干細胞。

4. 篩選和驗證：通過抗生素篩選、PCR和測序等分子生物學方法，篩選獲得基因編輯效果的細胞，并驗證基因敲除效果。

5.功能分析：研究敲除基因后細胞的表型變化和功能影響，如細胞增殖、分化、遷移等。

體內篩選平臺的建立

1.立體定位腦內注射：研究人員通過立體定位手術將攜帶sgRNA的慢病毒直接注入老年Cas9小鼠的側腦室，靠近神經干細胞的微環境（SVZ）。

2.基因敲除效果的驗證：幾周后，收集小鼠的嗅球（OB），通過基因組測序分析sgRNA的富集情況，以評估基因敲除的效果。

3.免疫熒光成像：對注射后的腦組織進行免疫熒光染色，以驗證基因敲除對神經干細胞激活和神經發生的影響。

4. 基因敲除效率的評估：通過流式細胞術（FACS）和Western Blot等技術，評估基因敲除的效率和特異性。

這些平臺的建立為研究人員提供了強大的工具，以系統地研究老年神經干細胞的衰老機制，并為開發抗衰老干預措施提供了新的策略。通過這些技術，研究人員能夠精確地敲除特定的基因，并評估這些基因敲除對細胞功能的影響，從而揭示調控神經干細胞衰老的關鍵分子途徑。

體外篩選平臺的建立與基因靶點鑒定

研究人員通過體外篩選平臺，對年輕和老年NSCs進行了全基因組CRISPR–Cas9篩選。通過高通量篩選，研究者發現了300多個基因靶點，這些靶點敲除能夠特異性地恢復老年NSCs的激活（圖1a-c）。這些基因靶點主要涉及纖毛組織和葡萄糖攝取過程，提示這些生物學過程可能在NSCs的衰老中發揮重要作用。

體內篩選平臺的建立與基因敲除的鑒定

為了驗證體外篩選結果的體內效應，研究者還建立了一個體內CRISPR–Cas9篩選平臺。通過在老年小鼠大腦中進行基因敲除，研究者鑒定出24個基因靶點，這些靶點能夠促進NSCs的激活和新神經元的產生（圖2a-d）。這些結果表明，通過CRISPR–Cas9技術在體內進行基因敲除是一種有效的策略，可以用于研究老年NSCs的功能衰退。

Slc2a4基因敲除對老年NSCs功能的影響

在所有鑒定出的基因敲除的靶點中，Slc2a4基因（編碼GLUT4葡萄糖轉運蛋白）的敲除是提高老年NSCs功能的zui有效干預措施之一（圖3a-d）。研究者發現，隨著年齡的增長，NSCs中的葡萄糖攝取增加，而短暫的葡萄糖饑餓可以恢復老年NSCs的激活能力。因此，葡萄糖攝取的增加，可能會加速隨年齡增長而導致的NSCs激活能力的下降。

老年NSCs的高葡萄糖攝取及其對NSC激活的影響

研究者進一步分析了老年NSCs的葡萄糖攝取特性。通過體外實驗，研究者發現老年qNSCs和aNSCs的葡萄糖攝取是年輕對照組的兩倍（圖4a-f），說明通過遺傳或通過葡萄糖限制來逆轉這種增加，可以促進老年NSCs的激活。這些結果表明，老年qNSCs處于高葡萄糖攝取狀態，這可能是由于隨著年齡的增長GLUT4表達的增加。然而，這種狀態可以通過遺傳或葡萄糖限制干預來逆轉，以促進老年qNSCs的激活。