向斑马鱼学习！Cell Stem Cell提出更精确的基因治疗策略

　　

如果人类希望像蜥蜴和鱼类那样再生受损的组织，就需要精确控制基因表达的时间和地点，否则，你只会看到到处长满了随机的细胞，或者一个永远不会停止生长的新身体部位。也就是说，停止这个过程和启动它一样重要。

杜克大学的一组科学家通过研究其他动物如何再生受损组织，朝着精确控制至少部分再生机制的方向迈出了重要一步。他们利用了斑马鱼修复心脏损伤的机制，并结合使用了人类基因治疗的病毒载体。

研究人员于12月13日在《Cell Stem Cell》杂志上发表论文，展示了控制基因活性以应对损伤的能力，也就是说，他们将其限制在特定的组织区域以及规定的时间窗口内，而不是在整个器官中持续激活。

在此研究中，他们借用了一段斑马鱼的DNA，即TREE（组织再生增强元件）。TREE是一个基因增强子家族，负责感知损伤并协调修复相关基因的活性，以便在特定位置修复组织。这些增强子还能在任务完成时关闭基因活动。这种调控元件已经在果蝇、蠕虫、小鼠以及斑马鱼中发现。

杜克大学医学院的再生生物学教授Ken Poss称：“我们可能也有。但在斑马鱼中找到它们，并研究它们是否在哺乳动物中起作用，这似乎更简单。” Poss博士在20年前发现了斑马鱼的心脏再生，并从那时起一直在研究它。

这些增强子长约1000个核苷酸，上面布满了各种因子和刺激物的识别位点，它们在附着后可以改变基因活性。“我们不太清楚它们是如何做到这一点的，以及它们如何产生应答，” Poss说。

作为这项为期六年研究项目的第一步，研究人员将几种不同种类的斑马鱼TREE整合到胚胎小鼠的基因组中。他们使用一个可观察的标记来指示基因活动，发现大约一半的增强子按照预期起作用，当感知到转基因哺乳动物的组织损伤时，它们会将组织变成蓝色。

然后，他们想看看是否可以通过腺相关病毒（AAV）选择性地将增强子元件掺入成年小鼠中。AAV病毒将含有增强子的DNA引入所有组织，但希望TREE只在出现损伤时才变得活跃。

研究人员在小鼠心脏病发作模型上开展了一系列的实验，表明含有TREE的病毒可以在受伤前一周注入，然后增强子在检测到损伤时就会立即开始行动。不过他们发现，在心脏病发作后的一两天给动物注射这种药物也有效。“对于我们测试的三种TREE，如果在受伤一天或更长时间后导入，它们仍然有效，可以根据受伤情况进行表达。”

“这种导入TREE和基因的方法能让我们在正确的时间把分子货物送到正确的地方吗？我们发现在小鼠身上确实如此，”Poss谈道。

他们还通过病毒在猪体内导入了TREE和荧光标记基因，猪的心脏更大，心率更接近人类。他们在猪心脏病发作前后通过冠状动脉将病毒注入猪的心脏，同样地，标记物只在受伤部位发出荧光。

为了确认这个系统是否真的能够修复损伤，而不仅仅是感知损伤并启动一个基因，他们导入了一种过度激活的YAP，这是一个强大的组织生长基因，与癌症有关。关键问题在于，这种能让细胞分裂失控的强大基因能否只在正确的时间和地点发挥作用。

他们采用TREE来控制突变的YAP，以观察它们是否能在小鼠心脏病发作后让肌肉再生。“TREE仅在受伤部位启动了突变的YAP并持续数周，然后它自然地关闭了表达，”Poss说。治疗导致肌肉细胞开始分裂，小鼠的心脏在几周后恢复到接近正常的功能，不过还有一些疤痕。

“你不会想要全面表达YAP，这可能会导致过度生长等问题，但我们发现，我们可以引导它，”Poss说。“整个动物都接受了基因治疗，但YAP只在心脏受伤时表达。我们认为，我们可以用这些方法在特定的时间和空间控制基因表达，包括关闭它们。”

研究人员的下一个任务是更好地了解哪些分子与增强子结合，如何控制它们的功能，以及它们在人类基因组中的位置。“这些控制元件才是最重要的，“Poss说。“斑马鱼的基因在很大程度上与我们相同，但它们再生心脏的能力取决于它们在严重受伤后如何控制这些基因。那么，这些对创伤性脑损伤或脊髓损伤有用吗？”

原文检索

An enhancer-based gene-therapy strategy for spatiotemporal control of cargoes during tissue repair