干細(xì)胞雙胞胎可以研究疾病

以Knut Woltjen博士為首的研究人員報(bào)道了一種新的基因編輯方法，可以絕對準(zhǔn)確地修改人類基因組中的單個DNA堿基。

這項(xiàng)技術(shù)在《自然通訊》(Nature Communications)中有所描述，它的獨(dú)特之處在于它提供了成對的基因匹配細(xì)胞，通過設(shè)計(jì)細(xì)胞自身的修復(fù)機(jī)制來研究疾病相關(guān)的突變。

DNA單突變(簡稱單核苷酸多態(tài)性——或SNP)是人類基因組中最常見的突變類型。已知超過1000萬個SNP，其中許多與阿爾茨海默病、心臟病和糖尿病等疾病有關(guān)。

為了了解SNP在遺傳性疾病中的作用，來自京都大學(xué)iPS細(xì)胞研究和應(yīng)用中心(CiRA)的科學(xué)家從患者供體中創(chuàng)造了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。

IPS細(xì)胞保留了供體的遺傳組成，可以在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為任何細(xì)胞類型。這樣，來自組織(如大腦、心臟或胰腺)的細(xì)胞可以在實(shí)驗(yàn)室中被創(chuàng)造和觀察，這樣新的疾病治療方法就可以在開始臨床試驗(yàn)之前得到安全的測試。

要證明SNP導(dǎo)致疾病，需要與基因匹配或同源的iPS細(xì)胞進(jìn)行非常嚴(yán)格的比較。理想細(xì)胞是研究人員描述的同卵“雙胞胎”；基因組僅相差一個單核苷酸多態(tài)性的細(xì)胞。

然而，由Woltjen實(shí)驗(yàn)室特別任命的助理教授、該研究的共同第一作者Shin-Il Kim博士說，創(chuàng)造這些雙胞胎并不容易。

“通常我們需要添加抗生素抗性基因和SNP來克服效率低的問題。因?yàn)檫@增加了基因組的另一個變化，我們需要一種方法來消除它?！?

為了創(chuàng)造同卵雙胞胎，Woltjen實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種新的基因組編輯技術(shù)，插入SNP修飾和熒光報(bào)告基因作為信號檢測修飾細(xì)胞。

他們還在報(bào)告基因的左右兩側(cè)設(shè)計(jì)了一個短的重復(fù)DNA序列，稱為微同源性，以及CRISPR(一種切割DNA的酶)的獨(dú)特靶位。

這些特性使得研究人員可以利用細(xì)胞的內(nèi)源性DNA修復(fù)系統(tǒng)，即微同源介導(dǎo)的末端連接(MMEJ)來精確去除報(bào)告基因。MMEJ去除了熒光報(bào)告基因，只留下了修飾的SNP。通過在一個微觀同源性中排列突變單核苷酸多態(tài)性，在另一個微生物學(xué)中排列正常單核苷酸多態(tài)性，該方法有效地產(chǎn)生同卵雙胞胎。

CiRA的副教授Knut Woltjen博士稱這種新的基因編輯方法為MhAX，即微同源輔助切除。Woltjen的靈感來自于觀察自然的MMEJ修復(fù)來應(yīng)對DNA損傷。

“為了讓MhAX發(fā)揮作用，我們復(fù)制了基因組中已經(jīng)存在的DNA序列。然后我們讓細(xì)胞解決這個復(fù)制問題。同時，細(xì)胞決定修復(fù)后哪些單核苷酸多態(tài)性仍然存在，”他說。"一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了所有可能的單核苷酸多態(tài)性基因型."

在廣島大學(xué)山本貴司博士和慶應(yīng)義塾大學(xué)Soga tomoyshi博士的合作下，Woltjen實(shí)驗(yàn)室利用MhAX在HPRT和APRT基因中創(chuàng)建SNP，突變分別與痛風(fēng)和腎臟疾病有關(guān)。

生化分析顯示，具有HPRT突變SNP的細(xì)胞具有與患者相似的代謝變化，而在同一實(shí)驗(yàn)中衍生的相同雙胞胎對照細(xì)胞是正常的。APRT * J突變在急性腎衰竭患者中很常見，這證明了MhAX的高效性，因?yàn)閮蓚€基因拷貝(一個來自母親，一個來自父親)需要基因編輯來研究突變的影響。

Woltjen的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開始應(yīng)用他們的方法來創(chuàng)建和糾正與其他疾病相關(guān)的基因中的SNPs。他們與和加拿大的研究人員合作，正在調(diào)查青少年嚴(yán)重糖尿病的遺傳原因。

目前，利用胚胎干細(xì)胞進(jìn)行糖尿病臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中，但需要慢性免疫抑制。患者自身iPS細(xì)胞的基因矯正，可能導(dǎo)致產(chǎn)生胰島素的健康胰腺細(xì)胞的來源，降低移植后發(fā)生排斥反應(yīng)的可能性。

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