Nature成功實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞靶向基因組編輯

日期：2014-05-30 09:11:23

來(lái)自意大利San Raffaele科學(xué)研究所的研究人員，在人類造血干細(xì)胞（HSC）成功實(shí)現(xiàn)了靶向基因組編輯，這一突破性的成果發(fā)表在5月28日的《自然》（Nature）雜志上。

基因治療為一些因基因缺陷引起的遺傳性疾病提供了良好的治療效果。然而傳統(tǒng)的方法是采用一種遺傳工程載體將突變基因的一個(gè)功能拷貝傳送到病變細(xì)胞添加到基因組中。盡管更為先進(jìn)的載體，例如慢病毒載體證實(shí)提高了安全性和療效，利用半隨機(jī)插入載體存在的插入突變及失控性轉(zhuǎn)基因表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)仍然令人們感到擔(dān)憂。這些不良效應(yīng)有可能會(huì)觸發(fā)癌癥形成、毒性作用或破壞基因修飾細(xì)胞。

鋅指核酸酶(ZFNs)、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)蛋白核酸酶(TALEN)和RNA引導(dǎo)核酸酶(CRISPR/Cas)等人工核酸內(nèi)切酶為基因打靶實(shí)現(xiàn)基因治療效應(yīng)帶來(lái)了可能性。利用這些核酸酶可以有效和特異性地對(duì)基因組進(jìn)行靶向編輯，使得能夠?qū)⒈磉_(dá)組件整合到安全的基因組位點(diǎn)，或是通過(guò)在受累基因啟動(dòng)子下游插入一個(gè)功能性的拷貝糾正致病突變。相比于基因替代，這種基因修正不僅能夠修復(fù)功能，還能夠恢復(fù)基因的生理表達(dá)，這是基因治療長(zhǎng)期追尋的一個(gè)目標(biāo)。

在基因治療中，造血干細(xì)胞因?yàn)榫哂凶晕腋录胺只癁楦鞣N細(xì)胞系的能力而成為一種很有吸引力的靶細(xì)胞。近年來(lái)，將外源目的基因?qū)朐煅杉?xì)胞，以糾正或補(bǔ)償基因缺陷和異常引起的疾病，特別是血液疾病如腺苷脫氨酶缺陷病、血友病、地中海貧血癥及鐮狀細(xì)胞貧血癥中已取得重要的進(jìn)展，然而，在造血干細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)靶向基因組編輯卻仍然是一個(gè)難題。

在這篇文章中，研究人員發(fā)現(xiàn)其障礙在于同源重組只發(fā)生在周期細(xì)胞中（細(xì)胞周期的S/G2），因而導(dǎo)致了在諸如HSCs一類的靜息成體干細(xì)胞中進(jìn)行這種基因組編輯操作效率低下。通過(guò)采用特異的傳送平臺(tái)和培養(yǎng)條件他們克服了這些障礙。

Genovese和同事們首先用一些細(xì)胞因子對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了2天的預(yù)刺激，在第二天時(shí)利用一種病毒載體導(dǎo)入了重組模板。他們隨后利用電流對(duì)細(xì)胞進(jìn)行對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了滲透性處理，然后添加設(shè)計(jì)的鋅指核酸酶靶向目的DNA序列。用細(xì)胞因子進(jìn)行預(yù)處理使得細(xì)胞對(duì)于導(dǎo)入核酸酶的毒性效應(yīng)變得不太敏感，更重要的是這種處理促使一些細(xì)胞進(jìn)入到細(xì)胞周期能夠介導(dǎo)同源重組。此外，研究人員還用兩種芳(香)烴受體蛋白抑制劑dmPGE2和SR1處理了細(xì)胞，阻止了它們過(guò)早分化，使HSCs處于干細(xì)胞狀態(tài)。

這一實(shí)驗(yàn)方案使得Genovese等在一些HSCs中實(shí)現(xiàn)了位點(diǎn)特異性基因組編輯，將修正互補(bǔ)DNA靶向到了HSCs細(xì)胞的IL2RG基因中。IL2RG是X-連鎖重癥聯(lián)合免疫缺陷病(SCID-X1)的致病基因。當(dāng)他們將這些處理細(xì)胞轉(zhuǎn)移到免疫缺陷小鼠體內(nèi)，證實(shí)基因編輯HSCs可以維持正常的造血并生成了功能性的淋巴細(xì)胞。