CRISPR-Enabled functional genomics in hPSCs-derived neural models for autism spectrum disorder.

چکیده اصلی

Autism Spectrum Disorder (ASD) is a genetically heterogeneous neurodevelopmental condition in which hundreds of individually rare risk variants converge on a small number of shared biological pathways, including synaptic scaffolding, chromatin remodeling, excitation-inhibition balance, and cellular energy metabolism. Translating this genetic heterogeneity into mechanistic insight requires experimental systems capable of interrogating individual gene functions in human-relevant neural contexts at scale. CRISPR-enabled functional genomics in human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neural models, spanning neural progenitors, cortical and inhibitory neurons, astrocytes, microglia, and brain organoids, provides precisely this capability. By integrating pooled perturbation screens with multimodal readouts including single-cell and spatial transcriptomics, chromatin accessibility profiling, proximity labeling proteomics, multi-electrode array electrophysiology, and metabolic flux analysis, these platforms enable systematic, causal mapping of ASD gene function at system resolution. Early applications have already revealed convergent mechanisms: BAF complex disruption expands the ventral progenitor pool and biases its fate toward oligodendrocyte and interneuron lineages; ADNP loss impairs microglial synaptic pruning through altered endocytic trafficking; and mTOR pathway dysregulation in PTEN- and TSC2-perturbed models links genetic risk directly to metabolic and mitochondrial dysfunction. Computational frameworks including MIMOSCA and SCEPTRE enable causal network reconstruction and pseudotime inference from these datasets, moving the field from gene lists toward pathway-level models of ASD pathobiology. Translational applications leverage isogenic iPSC panels and variant-level base and prime editing to stratify ASD variants by functional impact, informing gene therapy design for haploinsufficient targets such as CHD8 and SCN2A via AAV or antisense oligonucleotide delivery. Remaining challenges, including model developmental immaturity, batch variability, and the difficulty of modeling polygenic risk, are addressed by a roadmap integrating spatial perturbomics, AI-driven causal inference, and population-scale standardized biobanks. This review synthesizes the current state of CRISPR-based functional genomics in human stem cell neural models as a coherent experimental framework for converting ASD genetic associations into mechanistic understanding and therapeutic opportunity.

ترجمه فارسی چکیده

اختلال طیف اوتیسم (ASD) یک شرط ناهنجاری رشد عصبی ژنتیکی متنوع است که در آن صدها واریانت خطر نادر جداگانه به مسیرهای زیستی مشترک محدودی، از جمله اسکلت‌بندی سیناپسی، بازسازی کروماتین، تعادل تحریک-مهار و متابولیسم انرژی سلولی، همگرا می‌شوند. ترجمه این تنوع ژنتیکی به درک مکانیزمی نیازمند سیستم‌های آزمایشی است که قادر به بررسی عملکرد تک‌تک ژن‌ها در زمینه‌های عصبی مرتبط با انسان در مقیاس بزرگ باشند. ژنومیک عملکردی مبتنی بر CRISPR در مدل‌های عصبی حاصل از سلول‌های بنیادی چندمنظوره انسانی (hPSC)، شامل پیش‌سازان عصبی، نورون‌های قشری و مهارکننده، آستروسیت‌ها، میکروگلیا و برآمدگی‌های مغزی، این قابلیت را فراهم می‌کند. با ادغام اسکرین‌های اختلال در گروه (pooled perturbation screens) با خوانش‌های چندوجهی شامل ترنسکریپتوم‌های تک‌سلولی و مکانیکی، پروفایل‌برداری دسترسی به کروماتین، پروتئومیک برچسب‌گذاری نزدیکی، الکتروفیزیولوژی آرایه چند الکترود و آنالیز جریان متابولیک، این پلتفرم‌ها امکان نقشه‌برداری سیستماتیک و علت‌یاب عملکرد ژن‌های ASD را در رزولوشن سیستم فراهم می‌کنند. کاربردهای اولیه مکانیزم‌های همگرا را آشکار کرده‌اند: اختلال در کمپلکس BAF حاشیه پیش‌سازان ventral را گسترش می‌دهد و سرنخ‌های آینده‌اش را به سمت خطوط سلولی اُلیگودندروسیت و نورون‌های میان‌عصبی می‌برد؛ از دست رفتن ADNP از طریق ترافیک اندوسیتیک تغییر یافته، بر برش سیناپسی میکروگلیایی تأثیر می‌گذارد؛ و بی‌نظمی مسیر mTOR در مدل‌های تحت تأثیر PTEN و TSC2، ریسک ژنتیکی را مستقیماً به ناتوانی متابولیک و میتوکندریایی متصل می‌کند. چارچوب‌های محاسباتی شامل MIMOSCA و SCEPTRE از این داده‌ها برای بازسازی شبکه علت‌یاب و استنتاج پاندوتایم استفاده می‌کنند. کاربردهای ترجمه‌ای از پنل‌های iPSC ایزوژنیک و ویرایش پایه و اولیه سطح واریانت برای طبقه‌بندی واریانت‌های ASD بر اساس تأثیر عملکردی، برای طراحی درمان ژن برای اهداف ناقص هپلو (haploinsufficient) مانند CHD8 و SCN2A از طریق انتقال AAV یا آنتی‌سنس اُلیگونوکلئوتید استفاده می‌کنند. چالش‌های باقیمانده، از جمله بلوغ ناقص مدل، تغییرات دسته‌ای و دشواری مدل‌سازی ریسک چندژنتیکی، با یک نقشه راه که شامل پرسپکتومیک اختلال مکانیکی، استنتاج علت‌یاب هدایت شده با هوش مصنوعی و بانک‌های زیستی استاندارد شده در مقیاس جمعیتی حل می‌شوند. این مرور، وضعیت فعلی ژنومیک عملکردی مبتنی بر CRISPR در مدل‌های عصبی سلول‌های بنیادی انسانی را به عنوان یک چارچوب آزمایشی منسجم برای تبدیل همبستگی‌های ژنتیکی ASD به درک مکانیزمی و فرصت درمانی خلاصه می‌کند.

متن کامل اصلی