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我院牛昱宇/季维智团队在Protein&Cell发表建立全球首例灵长类早衰症模型研究成果

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7月29日,昆明理工大学灵长类转化医学研究院、云南中科灵长类生物医学重点实验室牛昱宇教授、季维智院士团队与中国科学院动物所刘光慧课题组,纽约大学医学院龙承祖课题组合作在Protein & Cell杂志上发表研究成果”Generation of a Hutchinson-Gilford progeria syndrome monkey model by base editing,首次使用单碱基基因编辑(Base editor,BE)技术建立了早衰症(Hutchinson-Gilford progeria syndrome,HGPS)灵长类动物模型。

早衰症属于人类罕见遗传病,90%的早衰症是由于负责编码细胞核膜中核纤层蛋白的LMNA基因的第1824位的胞嘧啶突变为胸腺嘧啶引起的(1824C>T)[1]。该位点的突变激活一个新的隐形剪切,引起C端150个核苷酸被异常移除,最终导致毒性蛋白progerin的产生。Progerin的积累会引起细胞核结构及功能的异常,导致DNA损伤的急剧增加并伴随DNA修复功能的严重受损。随着年龄增加,患者会出现生长受阻,骨骼和关节发育异常,进行性动脉粥样硬化等一系列衰老病症,最终死于心肌梗死或中风等老年人多发的心血管疾病。目前关于早衰症的研究还比较局限,且缺乏有效的治疗手段,早衰患儿的平均寿命仅为15岁。

虽然已有研究证明利用CRISPR/Cas9系统通过同源重组的方式成功构建基因敲入猴动物模型 ,但单碱基靶向突变效率依旧很低[2]。自2016年胞嘧啶单碱基编辑器(Cytosine base editor, CBE)的出现,已有多篇报道证实CBE可实现哺乳动物基因高效且精确的突变诱导[3-7]。

在本研究中,研究者通过显微操作技术将BE4max-mRNA及靶向LMNA致病位点的gRNA导入猴子受精卵,通过胚胎移植共获得6只新生小猴。高通量测序,蛋白检测和表型鉴定均证实其中3只小猴为阳性HGPS猴模型。3只早衰模型小猴LMNA基因靶向位点的编辑效率为50%-100%,且全身泛组织表达毒性蛋白progerin。临床表型观察发现早衰猴模型于出生一个月后出现生长受阻,骨骼发育异常,脱发,皮下脂肪减少等衰老表型。组织生理学证实早衰猴模型开始出现早期动脉粥样硬化症状。转录组数据表明早衰猴上调基因富集在免疫应答及细胞因子和细胞因子受体相互作用通路。本研究结果证实,早衰猴模型较高水平再现早衰患者分子和临床表征。

本研究首次证明单碱基编辑器BE4max可以用于灵长类单碱基突变模型的构建,同时该模型是全球首例灵长类早衰症模型。早衰猴模型的建立将有力推进人类早衰疾病机制和临床治疗的研究工作。另外HGPS患者和正常衰老者共享大量分子表征,因此对早衰症的研究也可为探索人类衰老秘密提供重要途径。

美国Salk研究所JuanCarlos lzpisua Belmonte课题组在Protein& Cell杂志同期发表了Research Highlight ”First progeria monkey model generated using base editor”,对本研究工作表示高度肯定。

昆明理工大学牛昱宇教授和季维智院士,中国科学院动物研究所刘光慧研究员,纽约大学医学院龙承祖助理教授为文章的共同通讯作者。昆明理工大学灵长类转化医学研究院牛昱宇课题组博士生王芳和康宇,中国科学院北京基因组研究所张维绮研究员和范艳玲助理研究员,纽约大学医学院博士后杨巧艳为并列第一作者。

参考文献:

  1. Eriksson,M., et al., Recurrent de novo pointmutations in lamin A cause Hutchinson-Gilford progeria syndrome. Nature,2003. 423(6937): p. 293-8.
  2. Kang,Y., et al., CRISPR/Cas9-mediated genomeediting in nonhuman primates. Dis Model Mech, 2019. 12(10).
  3. Komor, A.C., et al., Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-strandedDNA cleavage. Nature, 2016. 533(7603):p. 420-4.
  4. Kim,K., et al., Highly efficient RNA-guidedbase editing in mouse embryos. Nat Biotechnol, 2017. 35(5): p. 435-437
  5. Liu,Z., et al., Highly efficient RNA-guided baseediting in rabbit. Nat Commun, 2018. 9(1):p. 2717.
  6. Ryu,S.-M., et al., Adenine base editing inmouse embryos and an adult mouse model of Duchenne muscular dystrophy.Nature Biotechnology, 2018. 36: p.536.
  7. Xie, J., et al., Efficient base editing for multiple genes and loci in pigs using baseeditors. Nat Commun, 2019. 10(1):p. 2852.
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