继“大师兄”被克隆以来,能精准模拟人类疾病的“二师兄”也成功地被克隆出来。在广州九龙镇有一座“猪宾馆”,生活着一群身娇肉贵的实验小猪,它们能精准地模拟人类的疾病。这是因为科学家利用基因“剪刀”—— CRISPR/Cas9,精准地把人突变的亨廷顿基因 HTT 敲入到猪的亨廷顿基因中,从而使猪得了亨廷顿舞蹈病。这些经过改造的猪可应用于人类试药、干细胞的临床前评价等领域,最终将造福人类健康。
这项研究也是继今年1月以来,中国科学院神经科学研究所一组学者在克隆猴领域取得的重大突破以来,该领域又一重要的发现。
经过四年努力,由暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院李晓江教授、中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学研究员以及美国 Emory 大学李世华教授领衔的国际研究团队,首次利用基因编辑技术 CRISPR/Cas9 和体细胞核移植技术(SCNT),成功培育出世界首例亨廷顿舞蹈病基因敲入猪,精准地模拟出人类神经退行性疾病。
这项研究为开发治疗亨廷顿舞蹈症,提供了稳定、可靠的动物模型,也为培育其它神经退行性疾病大动物模型提供了技术和理论依据,将推动我国发展出大动物疾病模型的医药研发产业链,相关研究于北京时间3月30日在线发表在国际顶尖学术期刊《细胞》杂志上。
李晓江对《知识分子》表示,“我们把这个动物模型建起来之后,也可以建立其他的疾病动物模型,如阿尔兹海默症、帕金森病等疾病的猪模型,它们要比小鼠的疾病模型会更好。因此从动物模型的构建来说,这有重要的意义;第二点,我们可以用这个模型来筛选药物治疗的方法,如小鼠动物模型由于缺乏神经元死亡重要的病理特征,用药评价一般都是基于行为学观察,而猪是非常好的模式动物来评价药物的效果。”
亨廷顿舞蹈症是单基因突变导致的疾病,阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症等,是当今社会严重威胁人类健康的神经退行性疾病。这些疾病伴随年龄渐长而产生、可遗传、呈渐进性发展,由于缺乏合适的动物模型进行药物筛选,目前尚无有效的治疗方法。李晓江说,神经退行性疾病是致病蛋白变异后沉淀在神经细胞中,造成神经细胞功能紊乱,并引发神经细胞死亡,从而导致疾病发生。
而亨廷顿舞蹈病是由单基因(HTT)突变导致的神经退性疾病,是一个理想的疾病模式,可用于研究蛋白质错误折叠如何引起选择性的神经退性病变,为以后多基因突变病症研究提供基础。
经过团队通力的合作,他们利用 CRISPR/Cas9 技术,将人突变的亨廷顿基因插入到猪的内源性亨廷顿基因的表达框中,即人外显子1中包含150 CAG 重复序列,精确地插入到猪的 HTT 内源性基因中。
但最终能否成功,还要看实验的进展。研究者利用成纤维细胞筛选出阳性克隆细胞,事实上,这也并非易事。“单细胞逐个挑出来并进行筛选及鉴定,一定要挑选状态最好的细胞用来胚胎移植”。负责此项实验工作的闫森先后筛选了上千个细胞,从中挑出确定带有突变基因且状态最好的细胞,她说,“每天早上7点进入细胞间,看细胞、换液、不停地跟细胞打交道,一抬头已是下午3点。
好不容易筛选到的阳性克隆细胞如果状态不好又得重来,只有大量筛选才能获得最优的细胞克隆。”
为了证明亨廷顿基因敲入猪的病理特征更接近于人类。李世华多次从美国返回国内指导实验,到猪场看小猪的生存环境及生活状态。至于模型猪能否很好地评估人类的亨廷顿舞蹈症,它与人的疾病症状有多相近?李晓江就此对《知识分子》表示,“总体来说,还只能说是相近,两个物种毕竟还是有种属差别。
但在很多方面,如猪的神经细胞死亡病理方面跟人非常相近,而小鼠没有明显的神经细胞死亡特征。另外,小鼠的‘舞蹈’行为很难体现出来,猪的这些行为跟人非常相似。此外,我们也发现,这些模型猪很多是因为呼吸衰竭而死亡,跟亨廷顿舞蹈症病人一样,它们也因运动神经的死亡,容易引起肺炎,进而死亡,所以从猪的这些病理表型和行为,跟人更为接近。”
实验结果传来,他们成功了。该模型不但能够模拟亨廷顿症患者大脑纹状体的神经元选择性死亡的典型病理特征,在行为上也表现出类似亨廷顿症“舞蹈样”的异常行为。更难能可贵的是,这些病理及行为学表型都可稳定地遗传给后代。作为世界首例亨廷顿病猪基因敲入模型,它表明在模拟病人的神经病理变化特别是脑疾病方面,大动物模型比小动物模型更具优势。
神经疾病基因敲入猪的成功,将推动我国发展出大动物疾病模型的医药研发产业链,促进针对阿尔茨海默病、帕金森症等神经退行性疾病,以及免疫缺陷、肿瘤、代谢性疾病的新药研发进程。同时,该动物模型可用于干细胞治疗等手段的临床前评价,最终造福于人类。