利用CRISPR基因编辑技术改善心血管健康的新疗法

扩张型心肌病(DCM)是一种非常普遍的心脏病，治疗方案有限，通常由参与心脏功能的特定基因突变引起。来自海德堡EMBL的研究人员现在已经展示了其中一个这样的基因——RBM20的突变如何影响蛋白质的定位，并确定了负责将其转运到细胞核中的分子相互作用。在第二项研究中，研究人员证明了一种新的基于crispr的基因编辑方法在逆转RBM20突变和DCM小鼠模型心功能障碍方面的有效性。

　　

扩张型心肌病(DCM)是心力衰竭最常见的原因之一，全世界每400人中就有近1人患有此病。据估计，大约40-50%的DCM病例有可识别的遗传原因，这就解释了为什么这种疾病通常在家族中遗传。在《自然通讯》上发表的两项新研究中，来自海德堡EMBL Steinmetz小组的研究人员探索了一种特殊形式的家族性DCM的分子基础，并测试了治疗这种疾病的基因编辑方法。

大约3%的家族性DCM病例涉及一种名为RBM20的关键基因的突变。这种基因有助于调节一种被称为“选择性剪接”的RNA加工，主要在心肌细胞中表达。在两项研究中的第一项中，Steinmetz小组探索了RBM20突变影响心肌细胞功能的分子途径。

当蛋白质迷失方向时

遗传密码的缺陷可能以不同的方式引起疾病。在某些突变中，疾病特征(或“表型”)是由于基因的正常功能被突变破坏而产生的。如果把细胞想象成一个复杂的机器，那么突变的基因可以被认为是一个坏了的齿轮，它减慢或停止了正常的功能。很长一段时间以来，科学家们认为这是RBM20突变的主要影响——它阻止了该基因在RNA剪接中发挥正常作用，进而影响细胞功能。

然而，正如Steinmetz小组在他们的研究中所探索的那样，这种疾病的表型也可能是由一种蛋白质的错误行为引起的，这种蛋白质通过做它不应该做的事情或出现在它不应该出现的地方而造成损害。在上面的类比中，人们可以把它想象成一个有故障的部件漏油，这影响了机器的其他部件并扰乱了整个系统。

与之前的研究一致，研究小组表明，基因突变可以导致RBM20蛋白定位于细胞的细胞质，而不是通常发现的细胞核。而在细胞质中，RBM20可以形成有害的细胞质颗粒，使疾病表型恶化，类似于其他涉及蛋白质错定位的疾病，如神经退行性疾病和癌症。

斯坦梅茨实验室的博士生、该研究的第一作者朱莉娅·科尔尼延科(Julia Kornienko)说:“这种区别会影响一个人如何对待治疗方法。”“然而，对于功能丧失突变，一个可行的策略是向细胞提供更多健康的RBM20来挽救RNA剪接缺陷，这对错误定位的RBM20不起作用，因为它对定位没有影响。”

然后，该团队使用全基因组CRISPR-Cas9筛选和图像激活细胞分选(ICS)——Steinmetz实验室与BD Biosciences和EMBL的其他研究人员合作开发的下一代细胞分选方法——梳理出RBM20的分子相互作用物。通过这一过程，他们确定了一种蛋白质——TNPO3——负责将RBM20从细胞质运送到细胞核。他们还发现，RBM20的突变可以阻止这种相互作用，导致RBM20在细胞质中积累。

Kornienko指出:“如果没有ICS技术，实现全基因组规模将是非常具有挑战性的。“此外，即使是对基因组的一个选定子集进行排列筛选，也需要花费更长的时间。”

当研究人员在细胞中过表达TNPO3时，它增强了RBM20的核输入，逆转了RBM20突变引起的RNA剪接缺陷。这一发现对开发旨在恢复RBM20核定位的新型治疗方法具有启示意义，该团队目前正在进一步研究。

科尔尼扬科说:“这是一种以前从未被描述过的新的相互作用。”“目前，我们正在实验室中破译RBM20-TNPO3复合物的结构。了解该复合物的确切结构将使我们能够识别出在突变时稳定相互作用的小分子药物，并选择化合物文库来测试体外或体内的治疗效果。我们也在探索在体内恢复RBM20核定位的其他方法。我们对这种在DCM中靶向RBM20的概念新颖方法感到非常兴奋，并希望它能在未来改善RBM20患者的治疗选择。”

靶向基因编辑来拯救我们

在第二项研究中，研究人员在DCM小鼠模型中采用了更直接的方法来逆转rbm20引起的心肌细胞功能障碍。

目前DCM的治疗策略在其有效性和可及性方面受到严重限制，心脏移植通常是晚期患者的唯一选择。自从发现CRISPR-Cas9基因编辑系统以来，科学家们一直在探索它在治疗由特定基因突变引起的人类疾病方面的潜力。许多这样的方法依赖于分裂细胞中活跃的过程，因此限制了它们对不分裂的成熟细胞的适用性，例如心肌细胞或神经细胞。

Steinmetz实验室使用了下一代基于crispr的系统，称为碱基编辑，可以在有丝分裂后的细胞中选择性地逆转心肌细胞中RBM20的突变。为了做到这一点，他们给携带Rbm20突变的小鼠注射了一种特制的病毒载体，这种病毒载体选择性地靶向心肌细胞，并携带一种基因传递系统，允许在突变位点编辑这些细胞的遗传密码。

在这种治疗的三个月内，研究人员看到了几种疾病表型的改善，如心脏泵血功能、剪接缺陷和心力衰竭生物标志物的表达。他们估计，他们可以逆转受体小鼠中近70%的心肌细胞的突变，这对于此类疗法来说是一个令人印象深刻的数字。有趣的是，基因编辑还逆转了这些小鼠中RBM20蛋白的细胞质错定位。重要的是，研究人员在身体的其他部位没有发现任何脱靶编辑——这是将CRISPR-Cas9编辑方法转移到临床的最大保留。

“让这种方法在小鼠模型中起作用是相当具有挑战性的，”施泰因梅茨实验室的博士后、这项研究的第一作者马库斯·格罗施说。“通过增加病毒的数量，降低小鼠的年龄(从而降低体重)，并使用心肌细胞特异性病毒传递，我们可以显著提高编辑效果。”

研究人员认为，在未来，除了作为DCM患者的一种可能的治疗方法外，这种策略也有可能作为一种预防措施，用于那些处于疾病早期阶段或携带类似基因突变但尚未发展为DCM的人。

Dieter Schwarz基金会教授、EMBL Heidelberg副组长Lars Steinmetz说:“我们的团队旨在探索基因组编辑策略，以了解复杂表型的遗传基础，并以此改变我们进行生物医学研究的方式。”“DCM是心力衰竭的主要原因之一，尽管医学取得了重大进展，但没有针对患者的靶向治疗方法。像我们这样的研究深入研究了疾病背后的生物学，以确定新的治疗途径和策略，以应对未来的生物医学挑战。”

文章标题

Mislocalization of pathogenic RBM20 variants in dilated cardiomyopathy is caused by loss-of-interaction with Transportin-3