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中国学者首次建立基因编辑瑞特综合征猴模型
2017-06-01 07:13:12 来源: 作者: 【 】 浏览:324次 评论:0

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2017年5月18日,季维智、陈永昌研究团队和同济大学医学院孙毅在Cell杂志发表新成果。

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导语:

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瑞特综合征(Rett syndrome)属于自闭症谱系范畴的神经发育性疾病,超过95%的瑞特综合征患儿携带MECP2基因突变。2017年5月18日,来自昆明理工大学、云南省灵长类生物医学重点实验室季维智、陈永昌研究团队和同济大学医学院孙毅团队在Cell杂志发表了题为“Modeling Rett Syndrome Using TALEN-Edited MECP2 Mutant Cynomolgus Monkeys”的研究论文。运用TALEN技术开展食蟹猴瑞特综合征模型的研究,论文首次建立基于基因编辑的非人灵长类疾病模型,同时成功地利用基因编辑非人灵长类模型,从行为模式、病理发生及其机制开展的系统性研究工作,对未来更深入地开展瑞特综合征发病机理研究和探索临床有效干预方法将产生深刻影响。本文作者中科院神经所研究员仇子龙从瑞特综合征的由来写起,再到对季维智、孙毅等老师在这一领域的工作以及本次研究的评述,其中穿插个人与几位研究者的交集以及对这一领域的理解,娓娓道来。

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撰文丨仇子龙 (中科院上海神经科学研究所研究员、国家“杰青”)

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2006年春天,美国加州南部小镇,一个安静的美国家庭中突然来了很多客人,有加州大学洛杉矶分校(UCLA)和圣迭戈分校(UCSD)的教授们,也有许多坐着轮椅的女孩。这些女孩坐在轮椅上,目光中透露出对世界的好奇,但是却无法言语,手足间常常有不自主的颤动。女孩们有一个共同的特征,这就是她们体内的MECP2基因都发生了严重的突变,导致她们患有瑞特综合征(Rett syndrome)。

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十年前,在这次由瑞特综合征家长与瑞特综合征研究基金会组织的病人与科学家见面会上,还在加州大学圣迭戈分校(UCSD)做博士后研究的我,第一次遇到了仰慕已久的加州大学洛杉矶分校的孙毅教授。

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瑞特综合征是一种严重的神经发育性疾病,时至今日仍然没有有效的治疗方法,在20世纪60年代由Andreas Rett医生首先予以定义。1999年,美国贝勒医学院的Huda Zoghbi教授经过艰苦的努力,寻找到了导致瑞特综合征的“罪魁祸首”——MECP2基因,研究者发现95%的瑞特综合征女孩都携带MECP2基因的突变。关于MECP2与瑞特综合征的历史,请看笔者的另一篇文章(1)。瑞特综合征因为患者具有手部的刻板行为,早年被神经科医生归为自闭症谱系障碍(Autism spectrum disorder)。MECP2基因后来被发现基因的倍增会在男孩中导致严重自闭症,因此它与自闭症的关系始终非常密切,对MECP2基因的研究也为我们认识了解自闭症打开了一扇重要的窗户。

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当时在UCLA的孙毅教授是MECP2研究领域的开辟者之一,2003年她与哈佛大学Mike Greenberg教授同时在Science杂志上发表文章,报道MECP2在神经元中调控基因表达的新机理(2, 3)。孙毅教授后来在MECP2基因领域又有一系列出色的工作发表。于2006年获得了瑞特综合征研究基金会博后基金的我也正式开始了MECP2的研究工作。

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与这次基金会组织的病人、科学家见面会一样,对于瑞特综合征的研究工作始终与病人无法分开。组织这次见面会的Monica就是一位瑞特综合征女孩的妈妈,为了早日治愈她们的女儿,美国的一些瑞特综合征家长组织起来成立了私人基金会,募集捐款,支持瑞特综合征与MECP2相关的科学研究工作,她们深深了解科学在疾病治疗过程中的巨大作用(见下图)。在对MECP2进行了漫长的科学研究后,我们对这个基因及其编码蛋白的功能有了非常深入的了解,比如表观遗传学调控,小RNA剪切加工以及调控突触可塑性等等。但病人家长和科学家们都迫切地想知道,基础科学研究最终距离帮助这些瑞特综合征孩子们究竟还有多远?


Monica Coenraads和她的女儿Chelsea. HHMI Bulletin,2006

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人类的大脑非常复杂,具有复杂的沟回以及大脑分区,作为我们最常用的实验模式动物———小鼠来说,其大脑的结构虽然具有对应的感觉与运动皮层等基本结构——“麻雀虽小,五脏俱全”(见下图),但是对于瑞特综合征这种复杂的脑疾病来说,与瑞特综合征女孩一样缺失了MECP2基因的小鼠,却不能完整模拟人类病患的临床病理特征 (4)。例如MECP2缺失的男孩无法出生,而缺失MECP2基因的雄性小鼠却能活至近成年期,携带MECP2基因突变的雌性小鼠也通常能够正常生育,直到6-9月后才会发病。是否有可能在尽可能接近人类的动物模型中建立瑞特综合征的模型,从而加快应对药物的研发工作呢?

动物大脑比较左上角人类大脑,右下角实验小鼠大脑,(DeFelipe 2011)

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2009年,孙毅教授回国担任上海同济大学医学院干细胞研究中心主任、千人计划专家,2012年,她开始与云南中科灵长类生物医学重点实验室、昆明理工大学季维智教授一起,探讨应用非人灵长类——猴类来建立瑞特综合征模型的可能性。2009年,我也从UCSD回到中科院上海神经所,建立了自己的实验室,开展了独立的MECP2研究工作。

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是否有可能在猴类中敲除MECP2基因?季维智教授长期从事猕猴胚胎干细胞及基因修饰构建灵长类动物模型的工作,但是当时的猕猴胚胎干细胞还不能像小鼠胚胎干细胞一样发育成子代个体。从2010年开始,基因编辑方法的出现让这一切成为可能,第一个出现的基因编辑工具为锌指核酸酶(zinc finger nuclease),虽然可以对基因组中的基因进行定点切割,但是效率不尽人意;第二类基因编辑工具TALEN(Transcription activator-like effector nucleases)的出现,让在细胞系中准确进行基因操作以及制作基因编辑动物的出现成为了可能。当然于2013年1月被首次在哺乳类细胞中进行基因编辑而被报道的第三类基因编辑工具CRISPR/Cas9 (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9)已经成为传奇,是目前最好的基因编辑工具。

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2012年,当TALEN方法被证明可以在小鼠受精卵中成功敲除目标基因的时候,季维智教授、孙毅教授和在中科院神经所的我都意识到千载难逢的机会就在眼前。如果TALEN的效率足够高,直接将TALEN mRNA注射入猕猴受精卵,那么猕猴的MECP2基因就有可能被直接敲除! 2012年底,季维智、孙毅教授团队和我们不约而同地开始了在猴类中进行TALEN方法的基因打靶工作。2013年下半年,经过食蟹猴漫长的近六个月怀孕期,第一批注射了打靶MECP2基因的TALEN mRNA的食蟹猴出生了(5, 6)。2013年,第三代基因编辑工具CRISPR/Cas9也出现了,季维智教授与沙家豪教授、黄行许教授开展合作,运用CRISPR/Cas9方法建立的基因突变猴也于2013年底出生了(7)。这三个工作发表于2014年上半年,宣告人类在灵长类动物中进行基因操控时代的到来(下图)。

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然而基因操控还只是第一步,基因突变猴是否能更好地模拟人类的瑞特综合征女孩呢?季维智与孙毅教授的工作得到了数只携带MECP2基因突变的雌性食蟹猴,而我们只得到了一只携带MECP2基因缺失的雄性食蟹猴,出生不久便去世,因此我们将工作集中到了MECP2转基因猴上,于2016年2月发表了MECP2转基因猴模拟MECP2倍增综合征病人自闭症样症状的文章(8)(下图)。

2016年,仇子龙转基因猴成果发表在Nature上

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从2014年起,季维智教授与孙毅教授一起对MECP2基因突变猴开展了细致的功能研究,经过漫长的杂志评审过程,此工作终于于2017年5月18日在线发表在国际顶级生物学期刊Cell上(9)。在此项工作中,他们首先对基因突变猴进行了严格的基因测序及表达蛋白分析,证明了这些基因突变猴尽管还是基因突变的嵌合体,但是体内的MECP2蛋白明显表达下降,可以作为基因突变的模型进行研究。

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研究者接着与中科院自动化所蒋田仔研究员合作,运用核磁共振成像的方法研究了基因突变猴大脑的结构,他们的结果显示基因突变猴在多个脑区包括杏仁核与cingulate cortex等等出现结构向的减小(下图)。对猴类的大脑还可以做多种功能的脑成像,例如弥散张量成像(DTI)等。此类脑成像实验无法对小鼠模型进行研究,因为小鼠大脑结果相比之下太简单,不具有如此复杂的结构。

基因突变猴在多个脑区包括杏仁核与cingulate cortex等等出现结构向的减小

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季维智教授与孙毅教授接下来与中科院昆明动物所胡新天研究员等进行合作,对MECP2基因突变猴开展了一系列针对瑞特综合征与自闭症谱系障碍的行为学检测。首先,他们发现在MECP2突变猴表现出睡眠障碍,出现更碎片化的睡眠状况。在瑞特综合征中睡眠障碍问题是非常突出的临床症状之一。其次,研究团队发现MECP2突变猴出现了一系列自闭症样症状,如主动社交接触变少、刻板样行为变多等。这些自闭症样行为在MECP2转基因猴中也有报道(8)。季维智教授与孙毅教授的团队更进一步,对MECP2基因突变猴进行了一个更令人信服的实验。我们知道自闭症孩子通常不与别人目光对视,心理物理学家后来发现,如果对自闭症孩子进行严格的眼动跟踪实验,自闭症孩子通常对人脸或者有感情的人脸无动于衷。研究者对MECP2基因突变猴也开展了这个实验,这个实验需要对基因突变猴及野生对照猴进行长达数月的训练,才能让猴子安静的在椅子上坐着进行认知实验。研究者发现,MECP2基因突变猴明显降低了对有表情的猴脸的兴趣,对明显更有攻击性和屈服的猴脸表示没有兴趣,而对面无表情的猴脸予以更多的关注(见下图)。这个实验进一步令人信服地表明,猴类做为脑疾病的模型有小鼠模型无法比拟的优势。

基因突变猴及野生猴对照实验

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经过这些研究,季维智教授与孙毅教授首次对经过基因编辑的MECP2突变猴进行了详尽的生理学与行为学研究,为在基因突变猴中,开展下一阶段的药物筛选实验打下了坚实的基础。此工作也再一次证明了猕猴作为脑疾病的动物模型,比小鼠模型具有更大的优势。

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随着国内遗传病基因检测水平的进步,国内的医院也陆续发现了很多罹患瑞特综合征的孩子们。对瑞特综合征这一脑疾病的攻坚战已经打响,对瑞特综合征的研究与临床干预的尝试,也会将对自闭症谱系障碍的研究起到极大的推动作用。让我们共同期待科学家与医生携手攻克瑞特综合征这一天的到来!

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注:本文首发于微信公号:Bioart,《知识分子》获作者授权刊发。

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参考文献

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1. 逆转基因决定的命运:自闭症研究或现曙光 知识分子公众号 2016年6月2日,原载于《生命的化学》

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2. Chen et al. Derepression of BDNF transcription involves calcium-dependent phosphorylation of MeCP2. Science. 2003 Oct 31;302(5646):885-9.

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3. Martinowich et al. DNA methylation-related chromatin remodeling in activity-dependent BDNF gene regulation.Science. 2003 Oct 31;302(5646):890-3.z

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4. Guy et al. A mouse Mecp2-null mutation causes neurological symptoms that mimic Rett syndrome. Nat Genet. 2001 Mar;27(3):322-6.

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5. Liu et al. TALEN-mediated gene mutagenesis in rhesus and cynomolgus monkeys. Cell Stem Cell. 2014 Mar 6;14(3):323-8

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6. Liu et al. Generation of a monkey with MECP2 mutations by TALEN-based gene targeting. Neurosci Bull. 2014 Jun;30(3):381-6

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7. Niu et al. Generation of gene-modified cynomolgus monkey via Cas9/RNA-mediated gene targeting in one-cell embryos. Cell. 2014 Feb 13;156(4):836-43

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8. Liu et al. Autism-like behaviours and germline transmission in transgenic monkeys overexpressing MeCP2. Nature. 2016 Feb 4;530(7588):98-102

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9. Chen et al. Modeling Rett syndrome using TALEN-edited MECP2 mutant cynomolgus monkey. Cell (2017) 169,1-11. http://dx.doi.org/ 10.1016/j.cell.2017.04.035

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研究者简介

季维智/ 昆明理工大学特聘教授

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长期从事灵长类生殖生物学研究,研究重点为胚胎早期发育调控,干细胞生物学和疾病模型。其所领导的研究团队在猕猴干细胞和转基因灵长类动物方面获得国际一流的研究成果,使我国在非人灵长类靶向基因修饰的研究,居于世界领先水平。在Cell,Cell Stem Cell, PNAS, Stem Cells,JBC,Biology of Reproduction, Human Reproduction等杂志上发表论文100余篇。现任昆明理工大学特聘教授,灵长类转化医学研究院院长,云南省灵长类生物医学动物重点实验室理事长,生物医学动物模型国家地方联合工程研究中心主任。“世界经济论坛全球未来理事会”理事,“国家干细胞研究指导协调委员会”专家,“国家重大科学研究计划生殖与发育专家组”成员(2006-2014), “国家实验动物研究委员会”专家组成员和973项目首席科学家。长期从事灵长类生殖生物学研究。

孙毅/ 同济大学医学院教授,国家“千人计划”专家

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1987年于复旦大学毕业获得学士学位,后就读于美国凯斯西储大学神经生物学专业,并于1996年获得博士学位。后在哈佛大学神经发育生物学系从事博士后研究工作。长期致力于神经系统发育和疾病的表观遗传学及分子机制研究。在神经发育方面主要贡献在于阐明了神经干细胞或祖细胞在往神经元或胶质细胞分化过程中命运决定的分子机制, 包括首次发现LIF激动的JAK-STAT pathway 是星形胶质细胞命运决定的主要通路(Science, 1997), 首次阐明决定神经元命运的pro-neural bHLH 因子和JAK-STAT pathway 之间的相互抑制作用(Cell, 2001)。于2001年孙毅教授在美国加州大学(UCLA)建立实验室后潜心研究DNA甲基化,组蛋白修饰,及非编码RNA在神经系统发育,包括细胞命运决定,神经元功能成熟,及其可塑性变化过程中的作用。在神经疾病研究方面,她的实验室是最早开始用人类ES细胞iPS细胞做神经系统疾病模型的实验室之一, 并取得了突破性成果。2009年回国后,开始进行大量转化医学研究主要在干细胞治疗脊髓损伤方面开始了一系列原创性的研究。另外在用干细胞建立孤独症模型方面已取得突破性成果。她带领的团队在同济大学原创性地研发了体细胞单细胞全基因组转录本的RNA深度测序方法并用于研究成体神经干细胞的分子生物学性状,探讨成体干细胞及肿瘤干细胞静息活化过程中的机制,该技术对未来寻找各类疾病包括衰老的分子标记会有划时代的推动。孙毅教授近年来以通讯作者身份在Science, Cell, Cell Stem Cell, Nature Neuroscience, Neuron, PNAS等杂志上发表多篇论文。

陈永昌 / 昆明理工大学灵长类转化医学研究院教授

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2010年获得中国科学院昆明动物研究所博士学位;2003-2014年,担任中国科学院昆明动物研究所副研究员;2012年-至今,担任云南中科灵长类生物医学重点实验室研究员,昆明理工大学灵长类转化医学研究院教授。主要研究方向:基因修饰技术构建人类重大疾病的灵长类动物模型。目前已建立了多种神经系统疾病的灵长类动物模型,包括帕金森病(Parkinson's Disease)、肌萎缩侧索硬化症(Amyotrophic Lateral Sclerosis,ALS)、杜氏肌营养不良症(Duchenne Muscular Dystrophy,DMD)及瑞特综合征(Rett Syndrome,RTT)的基因编辑猴模型。近年来以第一作者或通讯作者身份在包括Cell、Cell Stem Cell、Cell Research、Human Molecular Genetics等杂志上发表多篇研究成果。

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