2018年3月8日，温州医科大学“眼视光学与视觉科学”国家重点实验室金子兵教授课题组在Cell系列子刊《Stem Cell Reports》杂志（一区TOP期刊）在线发表了题为“基于视网膜色素变性患者iPS细胞进行基因修复成功逆转分化类视网膜的纤毛病变”（Gene correctionreverses ciliopathy and photoreceptor loss in iPSC-derived retinal organoidsfrom retinitis pigmentosa patients）研究论著（Article）。该研究利用视网膜色素变性（retinitispigmentosa，RP）病人的100-300mL尿液样本建立了诱导多能干细胞（inducedpluripotent stem cell，iPSC），并分化成病人特异的三维视网膜类器官（3D retinalorganoids），进而在培养皿中成功模拟了疾病视网膜的纤毛病变和感光细胞丧失。运用CRISPR/Cas9基因编辑技术修复患者的基因突变后，发现在基因表达谱、蛋白水平及细胞电生理特性等方面能成功阻止了病变的发生。
RP是成年人中途失明的重要病因。虽然其致病基因多达85个，但仅仅RPGR一个基因的突变就导致了多达16%患者罹患此病。RPGR在感光细胞中主要存在于连接纤毛处，负责从内节运输视蛋白至外节，以此产生光电反应。以往研究该疾病主要使用基因突变小鼠和犬类模型，但由于这些动物跟人类种属不同，基因型表型间存在诸多差异，不能很好的诠释人类RPGR基因突变所造成的RP进程；再者RP患者视网膜的标本本身难以取得，这无疑给机制的研究造成了困难。针对以上难题，获得病人特异性iPSCs，将其立体分化以此模拟病人自体视网膜的发育和疾病发生发展，是研究此病机制和治疗的最佳途径。
文中三个病人的iPSCs均重编程自尿液里脱落的细胞，安全无创的方法使病人依从性更佳。在正常分化三维视网膜中，长达35周的培养使其具备延长的视锥、视杆细胞外节，并拥有感光细胞特有的电生理特性。然而RPGR病人的3D视网膜视锥视杆细胞均显著减少，且存活的视杆细胞中还存在大量异常形态并分布紊乱。RNAseq数据分析发现病人组感光细胞相关的转录组表达量均显著降低；膜片钳数据也显示，病人3D视网膜丧失了感光细胞的电生理特性；而且，纤毛长度在病人的iPSCs、视网膜色素上皮细胞和感光细胞中都显著变短。采用CRISPR/Cas9修复RPGR突变后，基因修复组分化的3D视网膜感光细胞在转录组、蛋白表达、电生理特性上都得到了挽救，纤毛长度也恢复了正常。这从概念上对基因修复进行了验证，修复致病基因RPGR的确可以治愈其引起的RP疾病。
基因修复的细胞能用作视网膜再生治疗；鸡盲眼视网膜类器官可以促进RP的新药研发。据悉，该课题组已经建立了较大规模的“夜盲症”病人iPS细胞库，今后将继续扩大疾病iPSC库规模，并在细胞和分子水平致病机理挖掘、药物筛选和新药研发方面展开更多的研究.
温州医科大学金子兵课题组的博士生邓雯丽和助理研究员高美玲为本文共同第一作者，金子兵教授为通讯作者。参与此项研究工作的还有温医大雷新兰（现单位：武汉大学人民医院）、吕技能、何凯文、夏茜茜、陈煜晨、李燕萍、潘登，以及中国科技大学黎凌云硕士生、赵欢副教授、薛天教授在膜片钳实验方面的支持。本项目主要在国家自然科学基金优秀青年科学基金、科技部干细胞及转化研究重点研发计划、国家自然科学基金重大项目、浙江省自然科学基金重大项目、温州市科技创新团队等课题资助下完成。
致谢本文的模式图绘制者硕士生金飔倩和陈珍姬。 |
