近(5)日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的科學家，開創出一項人類大腦類器官(organoid)，其運用單細胞層級的多體學數據和機器學習技術，將所有基因轉錄體資訊組成「圖譜」，可顯示類器官中每個細胞的詳細功能。該團隊也以這項工具，首次在人腦證明造成罕見腦部發育疾病的基因突變機制。該研究發表於頂尖期刊《Nature》。

由ETH Zurich生物系統科學與工程系教授Barbara Treutlein領導的團隊，以僅毫米大小、含有數千個細胞的3D腦部類器官為工具，密集擷取到單細胞層級的轉錄體和染色質的數據，且這些遺傳數據範圍涵蓋：神經上皮形成(neuroepithelial formation)、模式化(patterning)、大腦區域化(neuroepithelial formation)和神經發育等過程，可說是目前最完整的腦部單細胞遺傳數據研究。

該團隊的研究目的，是要運用分子遺傳學術語來表現每個細胞，也就是要將轉錄體總和，作為基因表現的衡量標準，最終繪製出能顯示每個細胞作用的圖譜，並且系統化地識別出在類器官中不同區域神經元的發育，具有哪些關鍵的基因開關。

因此，其透過由誘導性多潛能幹細胞(iPSC)分化而來的類器官模型，了解其中數千顆細胞、每個細胞又有多達兩萬個基因數據後，再以機器學習演算法處理所產生的大數據。

參與研究的Sophie Jansen表示，該技術除了可用於篩選疾病相關基因，也能進一步探究這些基因對類器官內不同細胞發育的影響。

此外，他們也運用CRISPR-Cas9基因編輯系統，一個一個地選擇性關閉細胞中的基因，幫助探究各基因在腦部發育過程的作用。

為了驗證這項研究工具，團隊以和DNA轉錄過程有關的GLI3基因作為測試，當GLI3基因被關閉時，細胞將無法把DNA轉錄為RNA，且已知當該基因發生突變，會導致Greig症候群、Pallister-Hall症候群等罕見的腦部發育異常病變。

在該團隊實驗下，首次證明GLI3基因如何參與了人類的腦部發育過程(該過程過去僅在老鼠腦部實驗證實)。

此外，Treutlein團隊目前也正在使用這種類器官，來研究自閉症和神經元異位(heterotopias)在遺傳學上的致病原因。

參考資料：

1. 論文原文：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05279-8

2. https://medicalxpress.com/news/2022-10-human-brain.html

(編譯/巫芝岳)