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科研进展

病毒如何为脑科学研究所用?

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2020-09-02

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近期,北京脑科学与类脑研究中心(CIBR)载体工程中心主任赵非实验室与中国科学院武汉病毒研究所罗敏华研究员课题组联合在International Journal of Molecular Sciences发表综述,总结介绍了用于解析神经环路输出神经网络的疱疹病毒HSV1-H129(以下简称H129)示踪工具的发展过程及应用现状,并从载体工程的角度提出了该工具的潜在优化和发展预期;同时,双方还共同在Neuroscience Bulletin发表文章,详细介绍了其团队前期发展的H129疱疹病毒顺向示踪工具的生产和使用的操作方法,以帮助广大神经科学家更好的应用该系列工具。

神经元是大脑结构和功能的基本单元,不同的神经元通过突触相互连接形成神经环路(neuronal circuit)以传递处理信息,最终交织成为复杂的神经网络以完成各种生理功能。解析不同脑区及神经元之间的物理和功能连接,是揭示大脑工作机制的重要内容之一。而病毒工具目前已经成为解析神经环路的利器。

根据是否能够跨神经元传播,病毒工具可被分为两类:不传播的基因转移工具,和跨神经元传播的环路示踪工具。前者的代表是腺相关病毒(AAV),往往用于在神经系统中表达特定目标基因,或者荧光蛋白、生物探针、光遗传学元件等,也可以用于表达shRNA进行特定基因的敲降,或sgRNA结合Cas9进行CRISPR基因编辑。而跨神经元传播的环路示踪工具又可根据其传播的方向分为逆向(retrograde)和顺向(anterograde)示踪工具。逆向示踪工具以狂犬病毒(RV)和伪狂犬病毒(PRV)Bartha株为代表,在它进入神经元后,可独立或依赖辅助病毒进行复制,新生成的子代病毒工具从突触后传播到突触前,进而感染上一级神经元,在此过程中病毒示踪工具利用自身表达的荧光蛋白标记所感染的神经元,从而描绘神经元输入网络。顺向示踪工具发展较慢,除了高滴度的AAV1或AAV9外,目前的发展重点主要集中在1型单纯疱疹病毒(HSV-1)H129株上。加州大学欧文分校的徐祥敏教授近日在Neuron杂志上发表综述(Neuron. 2020; S0896-6273(20)30527-4.),详细介绍了上述神经科学中所用的病毒工具。赵非以共同作者身份参与了该综述的撰写。

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32755550/

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1型单纯疱疹病毒(HSV-1)H129株被广泛认为是目前最有潜力的顺向示踪病毒工具之一。HSV-1是嗜神经的双链DNA病毒,基因组约150kb,编码至少80个基因。因基因组较大,在删除部分非必须基因后可承载较大的外源基因片段,因此往往被视作优良的基因转移载体加以研究和改造;同时因其裂解细胞的能力,也被作为溶瘤病毒的热点研究对象之一。1977年,从一名急性坏死性脑炎患者体内分离得到的一个HSV-1病毒株被称作H129株,其在动物(猴、小鼠、大鼠等)脑内主要沿神经元顺向传播,而这一特性使其成为顺向神经环路示踪病毒的热点研究对象。随着分子生物学技术的迅猛发展,近10年间多个实验室利用不同策略发展了一系列H129衍生的顺向示踪工具,并已经帮助神经生物学家做出了许多重要的发现。赵非和武汉病毒所罗敏华研究员近日在International Journal of Molecular Sciences以综述形式详细介绍了这些H129示踪工具(Int J Mol Sci. 2020; 21(16):E5937. doi: 10.3390/ijms21165937.)。

同时,由于HSV-1的高度复杂性,目前的H129工具还存在标记信号较弱、信号分布不均匀和具有潜在非特异性标记传播等问题,可能影响示踪结果解析的准确性;而较高的病毒毒性也极大的限制了H129工具的应用范围;此外HSV-1的大基因组也导致较大的病毒改造难度,增加了H129工具研发和优化的困难。本篇综述文章在详细讨论了现有H129病毒工具的发展过程以及不足之处的同时,也着重探讨了解决这些缺陷的可能途径和研发更好工具的未来方向,以期能对提升及优化H129病毒工具提供参考。该综述第一作者李栋于2019年硕士毕业于中科院武汉病毒研究所,现为北京脑中心一年级博士。

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32824837/

赵非与前期所在团队武汉病毒所罗敏华课题组共同发展了多种H129病毒工具,例如高亮度的顺向跨多级示踪工具H129-G4,和首个顺向跨单级示踪工具H129-dTK-tdT,这些病毒工具已经和国内外神经科学家共享,并助力多项重要科学研究。但因缺乏操作和使用病毒的实验经验,很多实验室在生产和使用上述工具的过程中也遇到了一些困难。为了帮助神经科学家更好的生产并使用这些病毒工具,获得高质量的病毒和可重复的准确实验结果,赵非和武汉病毒所罗敏华研究员共同在Neuroscience bulletin发表文章,详细的介绍了有关H129病毒工具生产和使用的操作流程,并提供了大量优化的实验参数,也针对实验过程中可能出现的问题进行了详尽的原因分析,并提供了可行的解决方案。同时,在文中也介绍了其近期发展的优化版顺向跨单级示踪工具H129-dTK-T2,并展示了相关示踪结果,该工具有望更好地助力神经科学家们解析顺向神经环路。该文章目前已被Neuroscience bulletin接受,处于待发表状态。