来源:学术经纬

基因编辑领域的顶尖学者、Broad研究所的刘如谦(David Liu)教授与哈佛医学院专注于耳鼻喉科研究的Jeffrey Holt教授合作,近日在《科学》子刊发表一项新成果,为众多遗传性耳聋患者带来一种潜在治疗策略。

他们利用新颖的单碱基编辑技术,在小鼠内耳中成功修正了导致耳聋的一种基因错误,让小鼠恢复部分听力。研究人员相信,这种方法经过进一步完善,也将有助于提高耳聋患者的听力。

值得一提的是,这是利用基因组编辑技术修复隐性致病突变的首个成功例子。

 ▲这项研究获得了《科学》官网的推荐(图片来源:Science截图) ▲这项研究获得了《科学》官网的推荐(图片来源:Science截图)

听力丧失虽不致命,给生活和社会的影响却是巨大的。人工耳蜗等技术设备可以起到一定帮助,但对于患者来说,引起耳聋的根本问题并没解决。在双耳失聪的人群中,大约有半数是基因突变造成的。近年来,基因编辑工具的问世,为这些遗传性耳聋患者从根源上带来了治疗希望。

编码跨膜通道样蛋白1(TMC1)的基因发生突变,是导致耳聋的一个常见原因。两年前,刘如谦教授的研究团队做出了一项突破,他们用基于CRISPR-Cas9基因编辑的方法,在小鼠中修复了Tmc1的一种显性致病突变,从而延缓小鼠的听力丧失。

所谓的显性致病突变,指基因的两个副本中只有一个出错就引起遗传病。在这种情况下,把有问题的基因副本“擦除”,而让好的那个副本发挥作用,就可能起到治疗效果。

 ▲基因编辑大牛刘如谦教授(图片来源:Harvard University) ▲基因编辑大牛刘如谦教授(图片来源:Harvard University)

然而,“大多数遗传病不是由显性突变引起,而是由隐性突变引起,包括大多数遗传性听力损失。”刘如谦教授说道。隐形致病突变,意味着来自父母双方的基因副本两个都有问题。因此,不能只是“擦除”有问题的基因,而需要对至少一个基因副本做出“修正”,恢复它们的正常功能。

在此次的新研究中,科学家们希望修复Tmc1隐性致病突变。这种突变与正常版本仅仅只有一个氨基酸的差别,却足以导致内耳的毛细胞迅速退化,无法有效地把声音信号转变为神经细胞发送给大脑,于是引起听力下降。

为了达到修复基因的目的,这项研究的共同第一作者Wei-His Yeh博士与同事们首先开发并优化了一款单碱基编辑器。传统的CRISPR在基因组上进行剪切,单碱基编辑器则不一样,可以在不切断双链DNA的情况下,对DNA进行单碱基转换。

由于单碱基编辑器较大,不适用于常用的腺相关病毒(AAV)载体,研究人员为此设计了一种巧妙的双载体递送方式:将单碱基编辑器分为两半,用两个AAV包装。当它们进入同一个细胞后,两半再次组合,前往DNA链寻找编辑目标。

这种递送方式听起来复杂,但实际证明行之有效,更关键的是,对DNA很少造成不必要的删除或插入。刘如谦教授说:“我们几乎没有看到任何脱靶编辑的证据。”

▲小鼠耳蜗中,绿色的这些细胞转入了修复的Tmc1基因(图片来源:参考资料[2];Credit: Olga Shubina-Oleinik, Boston Children‘s Hospital)▲小鼠耳蜗中,绿色的这些细胞转入了修复的Tmc1基因(图片来源:参考资料[2];Credit: Olga Shubina-Oleinik, Boston Children‘s Hospital)

研究人员先在培养皿中验证,这款基于双AAV载体的单碱基编辑系统可以有效修正Tmc1隐性致病突变。接着,他们给Tmc1基因突变的小鼠测试了这种方法的治疗潜力。在小鼠出生一天后,他们将基因编辑系统注入小鼠的内耳。

这种治疗挽救了小鼠内耳中的毛细胞。研究人员欣喜地观察到,经过基因编辑的动物,内耳中具有外形完好的毛细胞,而且还能检测到这些毛细胞的信号传导。

 ▲双AAV递送的单碱基编辑器让Tmc1突变小鼠的内耳拥有了形态正常的毛细胞(图片来源:参考资料[1]) ▲双AAV递送的单碱基编辑器让Tmc1突变小鼠的内耳拥有了形态正常的毛细胞(图片来源:参考资料[1])

那么,这些毛细胞能帮小鼠恢复听力吗?Yeh博士说她做了一项非正式的测试:一拍手,原本完全丧失听力的小鼠跳了起来,转头看向她——它们听到了!当然,研究人员也做了正式测试,脑电波显示,遗传性耳聋小鼠在接受治疗4周后,能对低至60分贝的声音有反应,相比之下,没有接受过治疗的小鼠对高达110分贝的噪音都没有反应。

研究人员表示,他们将继续改善这种基因疗法,让接受治疗的小鼠能进一步像正常小鼠一样,听到更轻的声音,并让这种听力改善的效果可以保持得更久。

研究人员总结说,这些结果“支持进一步发展基因编辑技术,以纠正造成遗传疾病(包括遗传性耳聋)的点突变”。我们期待科学家们的努力,为更多的患者带来福音。