作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2018/10/9 9:33:23
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线粒体基因治疗遗传病有一手

这些线粒体含有自己的DNA,但也会携带引发疾病的突变。

图片来源:CNRI/SCIENCE SOURCE

被誉为潜在革命性医学工具的基因组编辑器CRISPR并非万能。为细胞供应能量的细胞器——线粒体拥有自己的线粒体DNA(mtDNA),并且那里的突变会产生包括耳聋、癫痫和肌肉无力在内的破坏性后果。

两项日前发表于《自然—医学》杂志的研究表明,两个更老的基因组编辑工具能减少患有线粒体疾病的小鼠体内的缺陷性mtDNA,从而抵消突变的影响。该原理循证结果或为研发首个线粒体疾病疗法开辟了道路。“这些发现不同凡响,甚至使在人类身上开展相关试验成为可能。”未参与上述工作的美国哥伦比亚大学欧文医疗中心线粒体生物学家Martin Picard表示。

不过,将这些成果转变成疗法将非常困难。编码该基因组编辑器的基因必须由病毒引入,而研究人员一直在为让类似的基因疗法奏效苦苦挣扎。同两项研究均未有关联的明尼苏达州梅约诊所分子遗传学家Stephen Ekker表示,“最新研究成果可随时在人类身上验证”。事实上,两个团队已经在为启动临床试验作准备。

作为在早期真核细胞内部“定居下来”的古细菌的后代,线粒体拥有自己的小型基因组以及一组未被细胞核中基因编码的独特蛋白质。每个细胞能包含上千个这样的细胞器,而mtDNA中的突变会引发一系列疾病。“如果你把所有的线粒体疾病综合在一起,会发现它们是人类遗传性疾病最常见的起因之一。”领导其中一个研究团队的英国剑桥大学分子生物学家Michal Minczuk表示。

颇具争议的“三亲婴儿”方法能让儿童免于遗传线粒体疾病。它涉及将母亲卵子中的缺陷性线粒体替换成健康捐赠者的线粒体。但研究人员并未发现任何针对遗传了错误mtDNA患者的疗法。“目前有大量的需求未得到满足。”Ekker说。

剪断突变DNA或能派上用场,因为线粒体会摧毁被切断的分子。更重要的是,这种潜在疗法可能无须消除无数线粒体中的所有缺陷性mtDNA。迈阿密大学米勒医学院线粒体生物学家Carlos Moraes介绍说,患有线粒体疾病的父母携带的mtDNA拷贝可能带有有害突变,也可能没有,而在症状出现前,两种突变的比例必须达到特定程度。“如果你能将这一比例降到阈值以下,临床表现可能就会消失。”

不过,CRISPR不是一个选择。它依赖于RNA链指引剪切DNA的蛋白质前往基因组中的正确位置,而大多数研究人员怀疑线粒体能占用这些向导RNA。为此,两个团队将时钟拨回前CRISPR时代,并且测试了另外两种编辑方法——锌指核酸酶(ZFNs)和转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)。两种方法均包括被设计用于在没有向导RNA的情况下导向目标追踪DNA的DNA剪切蛋白质。虽然这些系统比CRISPR更加繁琐且没有那么通用,但它们也能剪断特定位置的DNA。

两组研究人员利用被认为无害的类似病毒,把负责编辑DNA蛋白质的基因运送进突变小鼠的细胞中。在该菌株中,一些mtDNA拷贝在编码一种帮助组装线粒体蛋白质的转移核糖核酸(tRNA)的基因中产生了突变。和正常小鼠相比,突变小鼠体内的这种tRNA较少,尽管它们仅表现出轻微的心脏异常。

Moraes和同事Sandra Bacman及其团队成员将载有TALENs基因的病毒注射进每只小鼠右侧的腿部肌肉中。作为对照,他们将缺少TALENs基因的病毒注射进左侧相同的肌肉中。6个月后,在接受TALENs基因注射的肌肉中,突变线粒体DNA的数量减少了一多半,同时受损DNA和正常DNA的比例降低通常产生症状的50:50阈值。

Minczuk和博士后Payam Gammage及同事设计了对等的ZFNs并将携带它们的病毒注射进小鼠的尾静脉中。一旦进入血流,这些病毒便会穿行至同样含有缺陷性mtDNA的心脏中。当科学家在65天后分析这些动物的心脏组织时,他们发现突变线粒体DNA的比例降低了40%左右。

由于轻微心脏异常很难被记录到,因此研究人员利用分子指标测量疗法的成功性。两个团队均确定在突变小鼠体内稀缺的tRNA在实施基因疗法后激增。Minczuk的团队还测量了若干表明小鼠体内线粒体表现更好的代谢分子。

研究人员认为,为将该策略应用到人类身上,他们不得不确保针对TALENs和ZFNs的基因以合适的数量到达正确的组织。无论如何,Moraes表示,他和同事正试图组织一场在患有mtDNA突变的病人身上开展针对其方法的安全性试验。这最早将在明年开始。Minczuk表示,他的团队也希望启动临床试验,但目前并没有时间表。(宗华)

相关论文信息:DOI:10.1126/science.aav5152

《中国科学报》 (2018-10-09 第3版 国际)
 
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