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基因组编辑技术“拯救”老鼠从加速衰老障碍:研究

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比尔斯奈德

来自哈佛大学布罗德研究所、麻省理工学院、美国国立卫生研究院(NIH)和范德比尔特大学医学中心的研究人员首次使用一种新型基因组编辑技术,将小鼠从早衰症中“拯救”出来。早衰症是一种罕见的基因疾病,会加速衰老。

本周发表在《自然》(Nature)杂志上的这一发现,可能导致首次治疗哈金森-吉尔福德早衰症(Hutchinson-Gilford progeria syndrome),这种疾病会导致人类过早衰老和心脏病死亡。

研究助理和合著者林赛·戴维森(显微镜下)和乔纳森·布朗医学博士检查了由有毒的黄体蛋白引起的血管细胞死亡和疤痕。

“虽然修复DNA突变的想法并不新鲜,这项研究首次表明,一次性系统性治疗基本编辑器能准确正确的DNA点突变也在多个组织和提高寿命,”乔纳森·布朗说,医学博士,医学助理教授VUMC心血管医学分部的。

布朗是这篇论文的共同通讯作者,他是哈佛大学“碱基编辑”技术的先驱David Liu博士,以及NIH主任Francis Collins,医学博士,博士,他的实验室在2003年发现了早衰症的遗传原因。

碱基编辑是受到被称为CRISPR-Cas9的革命性基因组编辑技术的启发,该技术可用于纠正构成DNA“双螺旋”碱基对或构建块的核苷酸序列中的缺陷。

刘的实验室开发的分子工具使用了Cas9 dna结合蛋白的一种新变体与引导RNA结合,以锁定有缺陷的特定目标基因序列,并使用另一种酶以化学方式将不正确的核苷酸转化为正确的核苷酸。

碱基编辑器被包装在腺相关病毒(AAV)中,这种病毒不会引起人类疾病。当静脉注射时,病毒将其编辑有效载荷传递给受基因突变影响的组织。值得注意的是,该系统不需要直接切割DNA,也不会产生显著的插入或删除,而这是其他CRISPR-Cas9方法的缺点。

“五年前,我们还在完成第一个碱基编辑器的开发,”刘在一份新闻稿中说。“如果你当时告诉我,在五年内,一次剂量的碱基编辑器就可以从DNA、RNA、蛋白质、血管病理和寿命水平上解决动物的早衰症,我可能会说,‘不可能。’”

他说:“It’s是团队奉献精神的真实证明,是他们让这项工作成为可能。”

早衰症是由核层蛋白a基因中胞嘧啶到胸腺嘧啶碱基的变化引起的。突变产生progerin,这是一种有毒的蛋白质,会影响多个组织并导致快速衰老,包括骨骼和关节异常、肌肉丢失、皮肤变化和严重的心血管疾病。儿童的平均预期寿命约为14岁。

在目前的研究中,研究人员在新生小鼠和14天大的小鼠身上测试了碱基编辑处理,这些小鼠携带了两个突变的lamin基因副本。一只14天大的老鼠差不多相当于一个人类幼童。

存活14天的早衰症小鼠只注射了一剂碱基编辑器,大约活了17个月,是未治疗小鼠的两倍多。在尸体解剖上,接受治疗的小鼠在血管中没有显示出未接受治疗的小鼠广泛存在的细胞死亡和纤维化(瘢痕)的证据。

“这是一个非常深刻的结果,”布朗说,“因为患有早衰症的孩子死于血管疾病。他们会患心脏病和中风。”

“当我的研究实验室在2003年发现早衰症的遗传原因时,我们希望有一天这可能会为帮助这些儿童找到一种方法,”Collins说。“一路走来,我们在药物治疗方面取得了一些进展,但在DNA水平上纠正根本原因的潜力是我们当时无法想象的。”

他说:“在我们的早衰症小鼠模型上看到这种戏剧性的反应,是我作为一名内科科学家40年来参与的最激动人心的治疗进展之一。”

布朗补充说:“想到你在实验室里研究的一个想法实际上可能有治疗作用,真是令人兴奋。”“最终,我们的目标将是尝试将这一想法发展成治疗儿童早衰症的方法,但在这些模型系统中,我们需要首先解决一些关键问题。”

一方面,一些长期存活的接受治疗的老鼠患上了肝脏肿瘤。虽然没有证据表明碱基编辑器直接参与肿瘤形成,但用于传递碱基编辑器的AAV已知会导致老年小鼠的肝脏肿瘤。

布朗说:“理论上也有可能,当老鼠活得更久时,这种小鼠早衰模型中出现肿瘤。但是我们认为,如果我们可以降低病毒的剂量,出现这种问题的可能性就会降低。”他还指出,在临床研究中还没有观察到用AAV治疗人类的肝肿瘤。

研究人员还在老年老鼠身上测试这项技术的有效性。“什么时候纠正DNA突变才算太晚?””他问道。“如果我们治疗更成熟的疾病,我们还能实现足够的编辑吗?这种编辑程度还能改善组织功能并阻止组织损伤吗?”

布朗说,当他在波士顿布里格姆妇女医院(Brigham and Women ‘s Hospital)做住院医师时,听到柯林斯关于早衰症的演讲,他就对这个问题产生了兴趣。“我完全被吸引住了,”他说。“这是一个例子,说明了人类基因组测序如何能够揭示疾病机制,并有望揭示治疗方法。”

在波士顿完成他的博士后工作时,布朗遇到了Luke Koblan,他是Liu实验室的研究生,对碱基编辑技术的开发做出了贡献,也是本周发表在《自然》杂志上的论文的第一作者。

这就是这三个小组如何走到一起的:Liu的团队拥有编辑工具,Collins实验室开发了一个老鼠模型,在早衰症方面有广泛的专业知识,Brown和他的同事进行了初步实验,表明这项技术可能有效。“这很大程度上是一个团队的努力,”他说。

刘是理查德·默金教授、博德研究所默金医疗保健变革技术研究所主任、哈佛大学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员。

国家人类基因组研究所的共同第一作者Michael Erdos博士和早衰症研究基金会的共同创始人Leslie Gordon医学博士也参与了这篇论文的撰写,该基金会协调了临床试验,并在上个月批准了这种疾病的第一种治疗方法。

范德比尔特大学的其他合著者还有林赛·戴维森、肖恩·多尔蒂和Quanhu Sheng博士。

该研究部分由NIH资助AI142756, AI150551, TR002636, HG009490, EB022376, GM118062, HG200305, HL146654, HL126784,霍华德休斯医学研究所和早衰症研究基金会。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.vumc.org/2021/01/06/genome-editing-technique-rescues-mice-from-accelerated-aging-disorder-study/