改写基因造出“舞蹈小猪”

来源:大洋网—广州日报| 2018-03-30 12:34:06| 作者:罗桦琳

  广州九龙镇有一座“猪宾馆”,世界首例神经疾病基因敲入猪在此诞生。这在帕金森等神经退行性疾病研究领域,是一个里程碑式的标志,意味着科学家可以通过合适的动物模型,更深入地了解神经细胞死亡的机制,寻找有效的治疗方法。

  广东科学家领衔的国际研究团队经过四年努力,首次利用基因编辑技术和体细胞核移植技术,成功培育出世界首例亨廷顿舞蹈症基因敲入猪,精准地模拟出人类神经退行性疾病发病过程。这项成果于北京时间3月30日在线发表在生物学顶尖学术期刊《细胞》上,论文共同通讯作者为暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院李晓江教授、中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学研究员、美国Emory大学李世华(Shihua Li)教授。

  文/广州日报全媒体记者罗桦琳 通讯员黄博纯

  图/广州日报全媒体记者杨耀烨

  为什么是我?

  据悉,猪的心血管系统、消化系统、皮肤、营养需要、骨骼发育以及矿物质代谢等都与人的情况极其相似,猪的体形大小和驯服习性允许进行反复采样和进行各种外科手术。与非人灵长类动物相比,猪的基因多样、繁殖周期短、一窝产仔多,便于根据特殊需要进行选育。所以,猪的疾病模型用于做药物筛选、人类疾病研究、干细胞治疗的研究结果,更容易转化为临床应用。

  小猪为何生?

  为攻克人类神经退行性疾病

  在广州黄埔区九龙镇有一座 “猪宾馆”,里面有一群特殊的小猪,它们身上带有人类的亨廷顿舞蹈症基因,可以精确模拟这一疾病的发病过程。

  亨廷顿舞蹈症、阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症等是当今社会严重威胁人类健康的神经退行性疾病。这些疾病伴随年龄渐长而产生,可遗传、呈渐进性发展,由于缺乏合适的动物模型进行药物筛选,目前尚无有效的治疗方法。亨廷顿小猪正是科学家为了攻克神经退行性疾病而培育的。

  亨廷顿舞蹈症是一种罕见的特发性神经变性疾病,临床主要表现为痴呆和舞蹈样动作。这种病的发病率不高,为何选择它作为攻克神经退行性疾病的“入口”呢?

  “神经退行性疾病的发病机制是,致病蛋白变异后沉淀在神经细胞中,造成神经细胞功能紊乱,并引发神经细胞死亡,从而导致疾病发生。而亨廷顿舞蹈症是由单基因(HTT)突变导致的神经退性疾病。这是一个理想的疾病模式,可用于研究蛋白质错误折叠如何引起选择性的神经退性病变,是以后研究多基因突变病症的基础。”暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院李晓江教授介绍。

  小猪寻觅记:

  小鼠猴子都试过 发现小猪最合适

  生活在“猪宾馆”中的实验小猪价格不菲,为了在神经退行性疾病研究中找到合适的动物模型,科学家们走过不少“弯路”。

  小鼠作为最常见的动物模型,被广泛地用于研究人类疾病机理和寻找临床治疗方法。但李晓江团队发现,小鼠脑部结构与人脑部结构存在较大差异,表达突变基因的神经退行性疾病小鼠模型,并不能表现出像病人脑中一样的典型神经细胞死亡的重要病理特征。许多药物在小鼠模型中有效,临床上对病人往往无效。为了探索动物模型,他开始把目光转移到大动物、非人灵长类动物身上。

  2008年,“夫妻档”科学家李晓江、李世华在美国Emory大学合作者的支持下,通过将外源性的突变基因引入到猕猴的体内,成功地建立了世界首只转基因亨廷顿症猴模型。李晓江说,在该模型中,可以明显地观察到相应的病理特征和行为变化,但表达外源性致病基因片段的毒性过强。但实验中的转基因猴子在出生后很短时间内便死亡,同时无法传代,难以达到筛选治疗疾病的药物的目的。

  与果蝇、线虫、小鼠等小型动物相比,猪被公认为是人类医学研究理想的大动物模型。作为华南地区重要的大动物疾病模型实验平台之一,中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学团队先后建立了50余种在生物医药和农业领域具有重要价值的转基因和基因打靶克隆猪。2010年,这对“夫妻档”找到了赖良学,一拍即合,他们合作建立了首例转基因亨廷顿病模型猪。

  小猪诞生记:“基因魔剪”+克隆技术

  然而,猪模型虽具有明显的表型特征,但不易存活,无法传代,这一度困扰着科学家。人类是在某个定点发生基因突变而出现亨廷顿舞蹈症,而已有的转基因技术是随机将外来变异基因插入动物基因组,能否通过基因编辑技术,直接将猪的内源性基因改变为突变基因,从而精准模拟人类的发病机制呢?

  2013年,随着基因编辑技术(CRISPR/Cas9)被广泛应用于哺乳动物中,在国家科技计划、国家自然科学基金委、国家重大研究计划、广东省科技计划等的大力支持下,李世华着手应用Cas9技术来建立亨廷顿基因敲入猪模型,将人突变的亨廷顿基因插入到猪的内源性亨廷顿基因的表达框中。

  接下来,还要通过克隆技术培育出亨廷顿小猪。“利用成纤维细胞筛选出阳性克隆细胞并非易事,一定要挑选状态最好的细胞用来胚胎移植”。负责此项工作的闫森先后筛选了上千个细胞,才从中挑出确定带有突变基因且状态最好的细胞。很快,团队运用体细胞核移植技术进行克隆,成功培育带有突变基因被称为“F1代”的新生猪。该模型不但能够模拟亨廷顿病患者在大脑纹状体的神经元选择性死亡的典型病理特征,在行为上也表现出类似亨廷顿症“舞蹈样”的异常行为。难能可贵的是,这些病理及行为学表型都可以稳定地遗传给后代。

  神经疾病基因敲入猪的成功,将推动我国发展出大动物疾病模型的医药研发产业链,促进针对阿尔茨海默病、帕金森症等神经退行性疾病以及免疫缺陷、肿瘤、代谢性疾病的新药研发进程。同时,该动物模型可用于干细胞治疗等手段的临床前评价,最终造福于人类。

  据了解,文章共同第一作者为暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院闫森副研究员和涂著池博士、中国科学院广州生物医药与健康研究院刘朝明。中山大学、吉林大学、云南农业大学的科学家们也参与了该工作。研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重大研究计划、国家重点研发计划以及广东省科技计划的大力支持。

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