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管敏鑫教授课题组在Human Molecular Genetics发表基因编辑结合干细胞技术治疗耳聋的新进展

日期:2022-05-05  浏览次数:334

2022425日,浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授课题组在国际权威学术期刊《人类分子遗传学》(Human Molecular Genetics在线发表聋相关基因编辑结合干细胞技术的最新研究成果,该研究通过CRISPR/Cas9 基因编辑技术对线粒体修饰基因突变进行遗传矫正,在内耳毛细胞样细胞中实现听觉功能重塑,为耳聋的基因治疗带来新的曙光,是领域内的重要突破。

耳聋是人类常见的感官缺陷疾病之一,可因遗传和环境及其相互作用等多种因素导致。管敏鑫教授自1993年开始,一直从事母系遗传性和药物性耳聋致病机制和临床转化研究,首次阐明了线粒体12S rRNA 1555A>G、1494C>T突变是中国人群药物性耳聋的主要分子致病基础,携带该类突变的易感人群会对氨基糖苷类药物超敏感而在用药后致聋,破解了长期来困扰医学界的“一针致聋”之谜,通过分子诊断、知识宣教、用药指南和遗传咨询等方式,累计使近百万名未发病的母系成员(包括孕期母亲和新生儿)直接受益,有效地降低了耳聋的发生率,相关成果曾获国家科技进步奖二等奖,已在Am J Hum Genet、Nucleic Acids Res等国际权威学术期刊发表相关论文80余篇。

携带m.1555A>G突变的部分家系成员,在未使用氨基糖苷类药物时也会有耳聋表型。管教授团队进一步研究中鉴定了影响母系遗传聋病发生的3个核修饰基因(TRMU、MTO1、GTPBP3),提出核修饰基因突变与m.1555A>G 突变协同作用导致遗传感音神经性聋的“双重打击”的新机制,揭示了耳聋患者的遗传异质性机理。由于线粒体基因突变动物模型的缺失,该机制的组织特异性尚待阐明。该研究通过患者源细胞重编程为iPSC,定向诱导分化为内耳毛细胞样细胞,发现携带双突变时细胞毛束结构和电生理等功能异常,而利用CRISPR/Cas9 基因编辑技术将核修饰基因突变矫正成为野生型后,诱导获得的细胞毛束结构和电生理等功能得到重塑。该研究从组织特异性角度,阐明了核修饰基因TRMU突变与m.1555A>G 突变协同作用导致遗传感音神经性聋的分子机制,在内耳毛细胞样细胞中实现了听觉功能重塑,为耳聋的基因治疗带来“新的曙光”,是领域内的重要突破。

线粒体与能量代谢在听觉器官发育和毛细胞行使功能中起重要作用。人耳由外耳、中耳和内耳组成,内耳主要包括耳蜗、前庭和半规管等,毛细胞分布于耳蜗螺旋器(Corti器)的基底膜上,负责接受声波的机械振动,再由听神经(蜗神经)传至大脑,从而产生听觉。声电转导的具体过程为,盖膜运动引起毛细胞静纤毛弯曲,离子通道开放,K+顺着电压梯度进入毛细胞,引起毛细胞去极化并释放化学递质,经突触兴奋听神经细胞。因此,内耳中的毛细胞是听觉功能实现的核心细胞之一。


图源http://www.audiocure.com/inner-ear-disorders/

该研究基于同时携带TRMU c.28G>Tm.1555A>G突变的阿拉伯以色列家系,首先将正常对照(#3)、仅携带m.1555A>G突变(8D)、同时携带TRMU c.28G>T纯合突变和m.1555A>G突变(20D)的三株永生化淋巴细胞系重编程为iPSC,再利用CRISPR/Cas9 基因编辑技术将携带双突变的iPSC进行遗传矫正,使其TRMU基因恢复为野生型(C60)。


将四株iPSC平行进行外胚层-内耳毛细胞方向定向诱导分化,分化过程中发现8D分化效率轻微改变,而20D的内耳祖细胞标志基因表达量显著降低,且分化的内耳毛细胞样细胞毛束结构显著异常,C60的分化效率与8D相近。利用膜片钳技术对毛细胞样细胞的电生理特征进行分析后发现,双突变株20D的内向钾电流IK1、外向钾电流IK在超极化、去极化过程中电流密度异常增大,而8DC60相较正常对照无显著差异。结果提示,修饰基因TRMU突变协同m.1555A>G影响iPSC向内耳毛细胞定向分化及毛细胞电生理功能,而对其TRMU基因突变进行遗传矫正能够恢复表型。


通过对定向分化获得的内耳毛细胞样细胞进行转录组测序,分析结果显示双突变株的差异表达基因富集于多种影响毛细胞分化和功能的信号通路,包括神经发育、细胞毛束结构的形成、钾离子通道、突触连接及神经递质释放等。因此,我们推测TRMU突变与m.1555A>G突变的双重打击引起了线粒体能量代谢障碍,在内耳毛细胞的分化过程中影响其毛束结构和电生理功能,最终引发耳聋。健康中国2030”规划纲要》、十四五规划和2035年远景目标明确指出要全面推进健康中国建设,加强出生缺陷综合防治,提高人口素质。其关键在于诠释遗传性疾病的分子致病机制,探索新的干预策略。该研究从基因编辑和诱导多能干细胞定向分化等角度,深入解析了线粒体修饰基因TRMU突变协同线粒体基因突变引发耳聋的致病机制,为耳聋发生的机制研究与精准诊疗提供了新视角和新思路,为耳聋的基因治疗带来新的曙光

该研究获得科技部“973项目”、重点研发计划和国家自然科学基金重点项目等支持。博士后陈潮(浙江大学医学院附属儿童医院)为本文第一作者,浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授为本文通讯作者。