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利用基因编辑治疗家族性高胆固醇血症研究获进展

2019-12-13 分子细胞科学卓越创新中心/生物化学与细胞生物学研究所
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  1129日,国际学术期刊Circulation在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心/生物化学与细胞生物学研究所周斌研究组的最新合作研究成果In Vivo AAV-CRISPR/Cas9-mediated Gene Editing Ameliorates Atherosclerosis in Familial Hypercholesterolemia。该研究利用CRISPR/Cas9系统在一种新构建的家族性高胆固醇血症模型小鼠体内部分修复Ldlr基因突变和LDLR蛋白表达,改善动脉粥样硬化等表型。

  家族性高胆固醇血症(FH)是一种最常见的遗传性高脂血症,临床表现为血液中胆固醇水平明显升高,可导致早期心血管疾病(比如心梗、中风)等,严重时危及生命。FH最常见(>90%)的基因缺陷是由编码低密度脂蛋白受体LDLR基因突变引起的,LDLR蛋白功能丧失,导致循环系统中低密度脂蛋白LDL堆积。杂合子的LDLR活性在225%,通常使用他汀类药物进行治疗,而纯合子LDLR蛋白活性小于2%,对于药物治疗常没有反应,在婴幼儿时期就可出现严重动脉粥样硬化表型及各种并发症。针对纯合子FH,现有治疗手段包括LDL血浆置换及肝移植等,费用昂贵且存在一定风险,因此继续寻找和探索新的治疗方法具有重要意义。

  规律成簇间隔短回文重复(CRISPR)和其相关核酸内切酶(Cas)是近些年来发现和兴起的一种基因编辑技术,以其高效性和简便性广泛应用于不同物种细胞基因编辑、动物模型构建和致病基因治疗等方面,极大地促进了生物学和医学研究发展。利用基因治疗人类遗传疾病是近年来医学生物领域的热点与焦点课题。

  在该项工作中,研究人员根据已发现的FH患者具有的LDLR基因E207X无义突变,该突变可以提前产生终止密码子,导致LDLR蛋白无法正常表达,通过序列比对后设计,将CRISPR/Cas9系统导入小鼠受精卵进行打靶,通过后续传代交配,成功构建了LdlrE208X小鼠(纯合子)。接着研究人员通过基因测序、反转录PCRWestern blot和免疫荧光染色等手段,分析和验证了该小鼠。通过一段时间的高脂饮食诱导,相对比野生型,LdlrE208X小鼠产生了明显高胆固醇血症病症,包括在主动脉产生了明显的动脉粥样硬化斑块,斑块内有平滑肌细胞的丢失和转型,以及大量巨噬细胞的浸润和纤维原沉积,肝脏产生大量脂滴堆积,血浆中的总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白-胆固醇等明显升高。

  随后研究人员利用腺相关病毒(AAV)将CRISPR/Cas9系统地送到LdlrE208X新生小鼠体内,策略是一个AAV表达Cas9,一个AAV表达gRNA和供体DNA利用gRNA引导Cas9蛋白到达DNA上的特定位点产生双链断裂,然后利用外源模版链介导的同源重组修复(HDR)机制修复该突变基因。因为新生小鼠肝细胞具有极强的增殖能力,因此可以有效利用这一修复机制进行基因编辑和纠正。待小鼠成体后,研究人员检测发现相比对照组,治疗组小鼠中大约有6.7%的等位基因得到修复,LDLR蛋白得到部分(~18%)表达。令人惊喜的是,研究人员发现即使LDLR蛋白部分恢复表达,经高脂饮食诱导后,相比于对照组,治疗组LdlrE208X小鼠的动脉粥样硬化症状显著减轻,巨噬细胞浸润、脂质堆积等病症也显著缓解,循环系统中的各项指标也有明显改善。同时研究人员还检测了CRISPR/Cas9系统脱靶效应和一些免疫指标,在成体小鼠体内并没有发现明显的脱靶及免疫排斥反应,证明此次基因编辑治疗的有效性和安全性。

  该研究揭示了使用CRISPR/Cas9系统靶向和纠正家族性高胆固醇血症致病基因能够显著改善动脉粥样硬化等相关表型,证明CRISPR/Cas9技术可以作为一个应用于人类遗传疾病治疗的潜在工具,促进基因编辑技术向个体化医疗更进一步。尽管在小鼠体内此项基因编辑工作显示了积极结果,但研究人员也表示在进行临床试验前还必须进行更多的研究测试,比如大型动物试验等。

  周斌和上海交通大学教授黄荷凤为该文的共同通讯作者,并获上海交通大学徐晨明、吴彦婷,中科院丁秋蓉、武汉大学宋保亮等的大力支持。该工作得到中科院、基金委、科技部、上海市科委等支持。

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打印 责任编辑:叶瑞优

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