AAV体内筛选引领突破：iGOF-Perturb-seq平台绘制星形胶质细胞转录因子功能图谱
文献速览
星形胶质细胞是维持大脑稳态和调节神经炎症的关键细胞，其功能受转录因子（TF）精密调控，但体内不同TF如何协同调控星形胶质细胞功能状态尚缺乏系统性认识。近日中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心周海波团队在 Science 发表的研究中开发了体内功能获得性扰动测序平台iGOF-Perturb-seq，系统绘制了约1000个转录因子在小鼠星形胶质细胞中的功能图谱。通过该平台，研究团队识别了协同功能模块、注释了未表征转录因子，并预测了疾病相关转录因子簇。进一步在神经炎症模型中应用该平台， 筛选出候选基因Ferd3l ，星形胶质细胞特异性过表达Ferd3l可显著抑制5XFAD阿尔茨海默病模型小鼠的症状。该研究为理解体内基因调控、揭示疾病机制及发掘脑疾病治疗靶点提供了重要资源。
研究背景
星形胶质细胞的功能多样性由复杂的转录调控网络决定，但体内大规模研究TF功能的技术瓶颈长期存在。此前在体Perturb-seq研究局限于小规模基因敲除，无法全面评估基因过表达带来的功能获得性效应。神经退行性疾病（如AD）中，星形胶质细胞会转变为神经毒性状态，驱动疾病进展。因此，亟需一种高通量、可在病理条件下进行的功能筛选平台，以系统性发现能够调控星形胶质细胞功能、改善疾病表型的关键分子。
研究目的
- 建立并验证iGOF-Perturb-seq体内高通量功能筛选平台；
- 绘制小鼠大脑星形胶质细胞中约1000个转录因子的过表达功能图谱；
- 通过基因程序分析，发现共功能TF模块并注释未知功能的TF；
- 在神经炎症模型中进行筛选，识别能抑制星形胶质细胞神经毒性转化的治疗性TF；
- 验证候选TF Ferd3l在5XFAD阿尔茨海默病小鼠模型中的治疗效果。
主要结果
1.iGOF-Perturb-seq平台成功建立并验证
iGOF-Perturb-seq平台实现了对数百个TF在体内星形胶质细胞中的高效过表达和单细胞转录组分析。
图1. iGOF-Perturb-seq平台实验流程
2.转录因子干扰的功能验证
通过体外功能验证（如Meis2促进吞噬、Zfp319促进突触生成）及对应的基因敲低实验，证实了筛选结果的准确性和可靠性。
图2. 验证转录因子对调节星形胶质细胞正常功能的作用
3.基因程序分析揭示星形胶质细胞TF的共功能模块
通过cNMF分析，将TF分为五个功能模块，分别与细胞身份、神经退行性变、神经元互作、免疫反应和癌症相关。该分析成功预测了功能未知TF（如Mafg、Lef1）的作用，并通过实验验证了Mafg调控线粒体氧化应激、Lef1参与免疫调节的功能。
图3. 基于基因表达程序的转录因子无偏聚类
4.通路相似性分析可以识别调控多种生物过程的转录因子
对KEGG通路影响进行相似性聚类，发现94个TFs共同上调神经退行性疾病相关通路，下调癌症相关通路。hdWGCNA共表达网络进一步将TF划分为6个功能簇，系统描绘了TF调控星形胶质细胞功能程序的图谱。
图4. 转录因子扰动相似性的比较分析
5.神经炎症模型筛选出治疗性TF——Ferd3l
在LPS诱导的神经炎症模型中，对39个预测的疾病相关TF进行筛选。结果发现，5个候选基因中Ferd3l是唯一能同时显著抑制多条炎症通路并下调大多数神经毒性星形胶质细胞标志物的TF。
图5. 在炎症条件下使用 iGOF–Perturb-seq 筛选治疗相关的 TFs
6.星形胶质细胞特异性过表达Ferd3l显著改善5XFAD小鼠AD症状
在5XFAD小鼠中，全脑星形胶质细胞特异性过表达Ferd3l，可改善5XFAD小鼠模型的认知缺陷、减轻神经元退变并抑制神经毒性星形胶质细胞活化。反之，在5XFAD小鼠中特异性敲低Ferd3l则会恶化AD病理和行为表型。
图6. 在星形胶质细胞中全脑范围的Ferd3l过表达缓解了5XFAD小鼠的阿尔茨海默病症状
文章小结
本研究成功开发了 iGOF-Perturb-seq 这一强大的体内功能筛选平台，首次系统绘制了小鼠星形胶质细胞在生理和病理状态下的转录因子功能图谱。研究发现，不同TF可通过汇聚于相同的基因程序来调控星形胶质细胞功能。更重要的是，通过模拟疾病微环境的筛选策略，该研究鉴定出一个关键治疗分子Ferd3l。在AD小鼠模型中，增强星形胶质细胞中Ferd3l的功能能有效抑制其向神经毒性状态转化，进而减轻神经炎症、保护神经元并改善认知功能。这项研究开创了一种在体内系统性发现神经系统疾病治疗靶点的新技术，为未来开发针对星形胶质细胞的治疗策略奠定了坚实基础。
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