Cell type specific AAVs to study reward and cognition
用于研究奖励和认知的细胞类型特异性 AAV
基本信息
- 批准号:10517904
- 负责人:
- 金额:$ 685.02万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-09-01 至 2025-08-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:AnatomyAnimal ModelAtlasesBar CodesBehavioralBiological AssayBrainCallithrixCapsidCell NucleusCellsChromatinClinicalClinical TrialsCodeCognitionCognitiveCollaborationsCorpus striatum structureDNADataData SetDatabasesDependovirusDevelopmentDiseaseDistalEngineeringEnhancersExperimental Animal ModelFluorescent in Situ HybridizationFoundationsGene DeliveryGene ExpressionGene Transfer TechniquesHumanImageInfectionInjectionsInsula of ReilKnowledgeLaboratory AnimalsMRI ScansMacacaMacaca mulattaMagnetic Resonance ImagingMidbrain structureMolecularMolecular AnalysisMonkeysMotor CortexMultiomic DataMusNeuronsNeurosciencesNootropic AgentsOutcomePatternPrefrontal CortexPrimatesProductionPropertyRegulatory ElementReporterResearch PersonnelResolutionRestRewardsRhesusScienceSpecificityStructureSystemTechniquesTechnologyTestingTimeTransgenic AnimalsUnited States National Institutes of HealthUniversitiesUpdateVocabularyWorkadeno-associated viral vectorbasebehavioral studycell typecomparative genomicscomputerized toolsconvolutional neural networkdelivery vehiclefundamental researchgene therapygenomic toolsmolecular subtypesmultimodalitymultiple omicsmutantneurotropicnext generationnonhuman primatepre-clinicalpreventreward processingsexstriosomesuccesstargeted treatmenttooltranscriptomicstranslational applicationsultra high resolutionvectorweb based interface
项目摘要
Adeno-Associated Viruses (AAVs) are potent gene delivery vectors for neuroscience studies and gene therapy
applications. However, naturally occurring AAVs are not cell type specific: they must be combined with other
technologies, such as transgenic animals, to achieve cell type specific gene expression. This requirement limits
the use genetically coded ‘circuit-breaking’ tools to study behavior in nonhuman primates (NHPs) – the
experimental animal model with the greatest similarity to humans – and hinders development of cell type specific
targeting strategies for achieving direct clinical benefits. To expand cell type specific access in NHPs and lay the
foundation for circuit specific gene therapy, we propose to create, test, and validate next generation, cell type
specific AAVs. First, we will define cell type specific enhancers – distal regulatory elements that have
demonstrated considerable promise as cell type specific AAV drivers. In preliminary data, we collected
transcriptomic and chromatin accessibility (i.e. “multi-omic”) single cell data from the striatum, dorsolateral
prefrontal cortex (dlPFC), primary motor cortex (M1), insula, and ventral midbrain of 2 rhesus macaque monkeys.
We combined the rhesus monkey data set with existing human and mouse data and used convolutional neural
networks (CNNs) to rank open chromatin sequences according to their potential as cell type specific enhancers.
We packaged AAVs with the top candidate enhancers, injected them into NHP striatum, and we have observed
cell type specific, enhancer driven expression in striosomes – a cell type specific striatal compartment related to
reward processing. To broadly advance this agenda and develop AAVs that drive robust, cell type-specific
expression, we propose to expand our multi-omic single cell database with additional data from macaque and
marmoset. We will leverage this updated, sex-balanced database, with will include data from 8 NHPs to identify
cell type specific enhancers that are likely to drive robust expression in primates. In parallel, we will use our
validated scAAVengr pipeline to screen AAV capsid mutants for cell-type biased infection patterns in the NHP
cognitive and reward systems. We will combine the top cell type specific enhancers with the most biased AAV
capsids to generate new, cell type specific AAVs for targeting neurons in the NHP cognitive and reward systems.
We will validate AAV specificity using Fluorescent in situ hybridization (FISH). This data will be combined with
ultra-high resolution MRI scans to create a rhesus macaque brain atlas, and the validated vectors will be stored
and distributed by The University of Pittsburgh BioForge Initiative. NHPs are critical for studying human cognition
and disease, and thus there is a pressing need to define the molecular properties of NHP cell types and study
their behavioral functions. This proposal will generate a unique NHP multi-omic single cell database, provide cell
type specific AAVs for neuron types in cognitive and reward systems, and establish a new multimodal rhesus
brain atlas. These contributions will significantly advance circuit manipulation capabilities in the primate brain
and promote fundamental research in basic and preclinical science.
腺相关病毒 (AAV) 是用于神经科学研究和基因治疗的有效基因传递载体
然而,天然存在的 AAV 不具有细胞类型特异性:它们必须与其他细胞结合。
技术,例如转基因动物,以实现细胞类型特异性基因表达。
使用基因编码的“断路”工具来研究非人类灵长类动物(NHP)的行为
与人类最相似的实验动物模型 - 并且阻碍特定细胞类型的发育
扩大 NHP 中特定细胞类型的使用范围并奠定基础。
作为电路特异性基因治疗的基础,我们建议创建、测试和验证下一代细胞类型
首先,我们将定义细胞类型特异性增强子——具有的远端调节元件。
在初步数据中,我们收集了作为细胞类型特异性 AAV 驱动程序的巨大前景。
来自纹状体、背外侧的转录组和染色质可及性(即“多组学”)单细胞数据
两只恒河猴的前额皮质 (dlPFC)、初级运动皮质 (M1)、岛叶和腹侧中脑。
我们将恒河猴数据集与现有的人类和小鼠数据相结合,并使用卷积神经网络
网络(CNN)根据开放染色质序列作为细胞类型特异性增强子的潜力对它们进行排名。
我们将 AAV 与顶级候选增强子一起包装,将它们注射到 NHP 纹状体中,我们观察到
纹状体中细胞类型特异性、增强子驱动的表达——与以下相关的细胞类型特异性纹状体区室
广泛推进这一议程并开发驱动强大的、特定于细胞类型的 AAV。
表达式,我们建议使用来自猕猴和的额外数据来扩展我们的多组学单细胞数据库
我们将利用这个更新的、性别平衡的数据库,其中包括来自 8 个 NHP 的数据来识别。
同时,我们将使用我们的细胞类型特异性增强子,这些增强子可能会在灵长类动物中驱动强大的表达。
经验证的 scAAVengr 管道可筛选 AAV 衣壳突变体,以了解 NHP 中细胞类型偏向的感染模式
我们将把顶级细胞类型特异性增强剂与最有偏见的 AAV 结合起来。
衣壳产生新的、细胞类型特异性的 AAV,用于靶向 NHP 认知和奖励系统中的神经元。
我们将使用荧光原位杂交 (FISH) 验证 AAV 特异性。该数据将与该数据相结合。
超高分辨率 MRI 扫描创建恒河猴大脑图谱,并将存储经过验证的矢量
由匹兹堡大学 BioForge Initiative 分发的 NHP 对于研究人类认知至关重要。
和疾病,因此迫切需要定义 NHP 细胞类型的分子特性并进行研究
该提案将生成一个独特的NHP多组学单细胞数据库,提供细胞。
针对认知和奖励系统中神经类型的特定 AAV,并建立新的多模式恒河猴
这些贡献将显着提高灵长类动物大脑的电路操纵能力。
促进基础和临床前科学的基础研究。
项目成果
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