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突破,基因编辑治疗耳聋

作者:Xue Gao, Zheng-Yi Chen & David R. Liu等人

基因组编辑试剂治疗常染色体显性遗传性耳聋

科学家Xue Gao等人组成的团队利用基因编辑技术治疗耳聋疾病。他们的研究成果近日发表在《Nature》杂志上、

感知声音的过程发生在内耳。耳蜗毛细胞表面的纤毛结构对声波做出反应。

当这种运动发生时,在每个纤毛变化的基础上,因为蛋白质组装体的特性,纤毛产生一种电信号。TMC1蛋白被认为是人类这个组件的一部分,

一些TMC1突变引起人们逐渐失去听力。症状开始于儿童时期,在10到15年内,伴有变性及毛细胞死亡,最后耳聋

Xue Gao和同事们分析了Beethoven贝多芬小鼠品系,其中动物有TMC1突变,随着时间推移,导致小鼠耳聋。

他们研究的小鼠突变,对应了人的一个TMC1基因突变,这与渐进性听力损失有关联。突变是显性的,这意味着即使一个人的两个基因拷贝中有一个有变异,他们也会变成聋子。该基因的突变拷贝产生一种缺陷蛋白质,这种蛋白质会损害细胞的功能,即使细胞也有野生型的基因拷贝。

修复显性突变相关耳聋是一个很精密的工作,在同一细胞内,保存野生型基因的同时,必须让突变基因失能。

这是不平凡的工作,因为只有一个DNA核苷酸区分两个版本的TMC1基因(图1)。

理解这一点的一个方法是想象两个人试图合唱的二重唱。如果一个人走调了,必须对这个犯错者进行选择性的沉默,以使他能听到正确的曲调,因为如果两个歌手都停止了,音乐就会停止。

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图1 |基因编辑小鼠可以预防遗传性失聪。


Gao等人研究了一种由TMC1基因突变引起的晚年耳聋小鼠模型。这种突变与人类基因中与耳聋相关的基因突变相同。随着内耳毛细胞的死亡,听力丧失,这些纤毛细胞利用它们的睫状突起来感知声音。

研究人员向新生小鼠耳注入基因编辑组件:可以切割DNA的核酸酶Cas9,向导RNA指引Cas9导向毛细胞核TMC1突变。

它们被包裹在脂质小滴中,与细胞融合,使基因编辑组件进入。对TMC1突变版本有一个腺嘌呤核苷酸(A,红色强调在突变的核苷酸序列)在一个胸腺嘧啶核苷酸位置(T)在野生型版本。基因编辑通过核苷酸缺失等机制选择性地破坏了该突变体的基因。编辑细胞只表达野生型TMC1蛋白(白色)和不表达突变的版本(红色)。

基因编辑是去除有突变基因的毛细胞。这包括使用核酸酶来切割活细胞内特定基因的目标DNA序列。切割导致双链DNA断裂,修复过程常常导致核苷酸添加或丢失的错误。这样的变化可以以某种方式改变序列,从而导致翻译过早地停止,从而阻止基因表达。

研究人员用CRISPR–CAS基因编辑方法。向导RNA与突变体相匹配,而不是与野生型基因相匹配,从而使Gao和他的同事能够解决基因突变形式的切割问题,而野生型则未被触及。

另一个挑战是让Cas9进入内耳。体内基因编辑方法往往依赖于病毒,将核酸酶编码序列引入被编辑的组织。

然而,Gao和他的同事推断,当核酸酶在细胞中发挥作用时,它将不再需要,因此引入蛋白质本身就足够了。

他们转向一种他们以前使用的技术,包装Cas9蛋白绑定到向导RNA,用脂滴的方式,融合细胞,使编辑机器进入。研究人员将这些小滴注入新生的贝多芬小鼠的内耳。

没有编辑的成年贝多芬小鼠内耳几乎没有毛细胞;然而,他们经过基因编辑的成年兄弟姐妹有内耳毛细胞,从形状和数目与野生型小鼠难以区分的。经过编辑的动物会被突然的巨响吓了一跳,而未经编辑的兄弟姐妹则不是。更复杂的测量也证实了基因编辑提高听力的结果。

令人鼓舞的是,人工核酸酶似乎坚守它原来的设计,并没有在毛细胞内引起不期望的DNA遗传变化。

这些研究只是编辑了少量的细胞。研究者认为,这种低比例的编辑细胞,对邻近未经编辑的、含有突变基因的细胞,产生有益的'光环'般的效果,防止这些邻近细胞变性、死亡。虽然这一晕轮效应的机制尚不清楚,但这项发现为临床采用这种方法提供了鼓励,因为它表明,也许不需要对所有毛细胞进行基因修复,从而对听力产生有益的影响。

Gao和同事的工作提供了一个重要的第一步,将这种方法更接近临床,证据表明,这种动物在与人类相似的基因突变和可比较的听力损失的动物身上是安全有效的。

然而,普通的基因编辑技术需要从病人体内取出细胞进行基因编辑,然后替换。耳细胞不能被去除,因此需要采用直接体内方法,这比体外基因编辑更具有挑战性。

令人鼓舞的是,体内基因编辑(对于不同条件)已经应用于使用锌指核酸酶的临床试验,这些工作明确了Gao及其同事的方法下一步方向。

核酸酶要有临床级效和特征。脂质必须被识别,可以安全地注射入核酸酶进入人的内耳。其次,这种核酸酶必须在较大的动物身上进行测试,例如灵长类动物。


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参考文献

Treatment of autosomal dominant hearing loss by in vivo delivery of genome editing agents

Xue Gao, Yong Tao, Veronica Lamas, Mingqian Huang, Wei-Hsi Yeh, Bifeng Pan, Yu-Juan Hu, Johnny H. Hu, David B. Thompson, Yilai Shu, Yamin Li, Hongyang Wang, Shiming Yang, Qiaobing Xu, Daniel B. Polley, M. Charles Liberman, Wei-Jia Kong, Jeffrey R. Holt, Zheng-Yi Chen & David R. Liu




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