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动物大脑比较左上角人类大脑,右下角实验小鼠大脑,(DeFelipe 2011)
2009年,孙毅教授回国担任上海同济大学医学院干细胞研究中心主任、千人计划专家,2012年,她开始与云南中科灵长类生物医学重点实验室、昆明理工大学季维智教授一起,探讨应用非人灵长类——猴类来建立瑞特综合征模型的可能性。2009年,我也从UCSD回到中科院上海神经所,建立了自己的实验室,开展了独立的
MECP2
研究工作。
是否有可能在猴类中敲除
MECP2
基因?季维智教授长期从事猕猴胚胎干细胞及基因修饰构建灵长类动物模型的工作,但是当时的猕猴胚胎干细胞还不能像小鼠胚胎干细胞一样发育成子代个体。从2010年开始,基因编辑方法的出现让这一切成为可能,第一个出现的基因编辑工具为锌指核酸酶(
zinc finger nuclease
),虽然可以对基因组中的基因进行定点切割,但是效率不尽人意;第二类基因编辑工具TALEN(
Transcription activator-like effector nucleases
)的出现,让在细胞系中准确进行基因操作以及制作基因编辑动物的出现成为了可能。当然于2013年1月被首次在哺乳类细胞中进行基因编辑而被报道的第三类基因编辑工具CRISPR/Cas9 (
Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9
)已经成为传奇,是目前最好的基因编辑工具。
2012年,当TALEN方法被证明可以在小鼠受精卵中成功敲除目标基因的时候,季维智教授、孙毅教授和在中科院神经所的我都意识到千载难逢的机会就在眼前。如果TALEN的效率足够高,直接将TALEN mRNA注射入猕猴受精卵,那么猕猴的
MECP2
基因就有可能被直接敲除! 2012年底,季维智、孙毅教授团队和我们不约而同地开始了在猴类中进行TALEN方法的基因打靶工作。2013年下半年,经过食蟹猴漫长的近六个月怀孕期,第一批注射了打靶
MECP2
基因的TALEN mRNA的食蟹猴出生了(
5, 6
)。2013年,第三代基因编辑工具CRISPR/Cas9也出现了,季维智教授与沙家豪教授、黄行许教授开展合作,运用CRISPR/Cas9方法建立的基因突变猴也于2013年底出生了(
7
)。这三个工作发表于2014年上半年,宣告人类在灵长类动物中进行基因操控时代的到来(
下图
)。
然而基因操控还只是第一步,基因突变猴是否能更好地模拟人类的瑞特综合征女孩呢?季维智与孙毅教授的工作得到了数只携带
MECP2
基因突变的雌性食蟹猴,而我们只得到了一只携带
MECP2
基因缺失的雄性食蟹猴,出生不久便去世,因此我们将工作集中到了
MECP2
转基因猴上,于2016年2月发表了
MECP2
转基因猴模拟
MECP2
倍增综合征病人自闭症样症状的文章(
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)(
下图
)。
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2016年,仇子龙转基因猴成果发表在
Nature
上
从2014年起,季维智教授与孙毅教授一起对
MECP2
基因突变猴开展了细致的功能研究,经过漫长的杂志评审过程,此工作终于于2017年5月18日在线发表在国际顶级生物学期刊
Cell
上(
9
)。在此项工作中,他们首先对基因突变猴进行了严格的基因测序及表达蛋白分析,证明了这些基因突变猴尽管还是基因突变的嵌合体,但是体内的MECP2蛋白明显表达下降,可以作为基因突变的模型进行研究。
研究者接着与中科院自动化所蒋田仔研究员合作,运用核磁共振成像的方法研究了基因突变猴大脑的结构,他们的结果显示基因突变猴在多个脑区包括杏仁核与cingulate cortex等等出现结构向的减小(
下图
)。对猴类的大脑还可以做多种功能的脑成像,例如弥散张量成像(
DTI
)等。此类脑成像实验无法对小鼠模型进行研究,因为小鼠大脑结果相比之下太简单,不具有如此复杂的结构。
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基因突变猴在多个脑区包括杏仁核与cingulate cortex等等出现结构向的减小
季维智教授与孙毅教授接下来与中科院昆明动物所胡新天研究员等进行合作,对
MECP2
基因突变猴开展了一系列针对瑞特综合征与自闭症谱系障碍的行为学检测。首先,他们发现在
MECP2
突变猴表现出睡眠障碍,出现更碎片化的睡眠状况。在瑞特综合征中睡眠障碍问题是非常突出的临床症状之一。其次,研究团队发现
MECP2
突变猴出现了一系列自闭症样症状,如主动社交接触变少、刻板样行为变多等。这些自闭症样行为在
MECP2
转基因猴中也有报道(
8
)。季维智教授与孙毅教授的团队更进一步,对
MECP2
基因突变猴进行了一个更令人信服的实验。我们知道自闭症孩子通常不与别人目光对视,心理物理学家后来发现,如果对自闭症孩子进行严格的眼动跟踪实验,自闭症孩子通常对人脸或者有感情的人脸无动于衷。研究者对
MECP2
基因突变猴也开展了这个实验,这个实验需要对基因突变猴及野生对照猴进行长达数月的训练,才能让猴子安静的在椅子上坐着进行认知实验。研究者发现,
MECP2
基因突变猴明显降低了对有表情的猴脸的兴趣,对明显更有攻击性和屈服的猴脸表示没有兴趣,而对面无表情的猴脸予以更多的关注(
见下图
)。这个实验进一步令人信服地表明,猴类做为脑疾病的模型有小鼠模型无法比拟的优势。
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