【科技前沿】劉光慧牛昱宇龍承祖季維智合作建立首例人類兒童早衰症基因編輯猴模型

多數的人類遺傳病由單個核苷酸突變引起，這其中包括兒童早衰症（Hutchinson-Gilford progeria syndrome，HGPS）。90%的兒童早衰症是由於負責編碼核纖層蛋白的LMNA基因序列的第1824位的胞嘧啶突變為胸腺嘧啶引起的【1】。儘管該突變未引起氨基酸改變，但其激活了新的RNA剪接位點，使得mRNA缺少了150個鹼基，最終導致其翻譯出毒性截短蛋白 Progerin。細胞內Progerin的累積增加了細胞核結構的不穩定性，增加DNA損傷，進而導致患者出現一系列早衰相關的病症。兒童早衰症目前缺乏有效治療手段，患者平均壽命大約為15歲，且大部分死於原本高發於老年人的心血管疾病。更重要的是，兒童早衰症患者的組織、細胞和分子表型與人類生理性衰老非常類似，因此該遺傳疾病的研究為科學家探究人類衰老的秘密提供了重要的途徑。

2020年 7月 29日，昆明理工大學牛昱宇、季維智課題組聯合中國科學院動物研究所劉光慧課題組，紐約大學醫學院龍承祖課題組，在Protein & Cell雜誌上發表研究成果Generation of a Hutchinson-Gilford progeria syndrome monkey model by base editing，首次使用單鹼基基因編輯（Base editor，BE）技術建立了兒童早衰症靈長類動物模型。

研究透過顯微注射將第四代BE系統，BE4max和靶向LMNA突變位點的gRNA匯入猴受精卵，透過胚胎移植成功獲得6只新生小猴，高通量測序證實有5只（83%，5/6）動物存在靶向位置胞嘧啶到胸腺嘧啶的突變。其中有3只（50%，3/6）靶向位點編輯效率為100%的純合模型猴。另外兩隻為嵌合體，一隻編輯效果約為50%，另一隻則是在11%-35%之間。研究證實純合子早衰猴和突變率約為50%突變率的嵌合體猴全身泛組織地表達毒性蛋白Progerin（Lamin A蛋白的截短突變體）。

臨床表型觀察證實早衰猴出生時表型正常，但是在出生後1個月開始表現出典型的臨床早衰症表型，如骨骼生長異常、體重增長緩慢、異常脫髮、身體畸形等。組織生理學分析進一步證實了早衰猴出現了面板老化，脂肪營養不良和動脈粥樣硬化的早期症狀。轉錄組分析資料顯示早衰猴相較於野生猴，上調基因富集在免疫應答及細胞因子和細胞因子受體相互作用通路。這些研究結果表明早衰症猴很好地再現了早衰症患者的臨床和細胞分子表徵。

靶向基因編輯動物模型，特別是靈長類動物，是研究人類遺傳病和治療方案臨床前研究十分有效的工具。雖然已有研究證明利用CRISPR/Cas9系統透過同源重組的方式成功構建基因敲入猴動物模型【2，3】，但單鹼基靶向突變效率依舊很低。自2016年胞嘧啶鹼基編輯器（Cytosine base editors， CBE）的問世【4】，已有多篇報道證明BE能夠有效且精準的將哺乳動物基因上的胞嘧啶誘導為胸腺嘧啶，並建立了相應動物模型【5-8】。在此之前，尚未有靈長類單鹼基突變相關衰老疾病動物模型的報道。

本研究首次證實BE4max可以高效且精確地建立靈長類單鹼基突變疾病動物模型，同時報道了全球首例靈長類早衰症模型。由於人猴高度的親緣性關係和組織結構相似性，靈長類早衰症模型的建立將有力推動人類早衰症發病機制和臨床治療的研究。

Protein & Cell雜誌同期發表了美國Salk研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte教授團隊撰寫的題為“First progeria monkey model generated using base editor”的Research Highlight，對該工作的意義進行了積極的評價。

據悉，該項研究由昆明理工大學、中國科學院動物研究所、紐約大學、中國科學院北京基因組研究所、中國科學院幹細胞與再生醫學創新研究院等機構合作完成。昆明理工大學牛昱宇教授和季維智教授，中國科學院動物研究所劉光慧研究員，紐約大學醫學院龍承祖助理教授為文章的共同通訊作者。昆明理工大學博士研究生王芳和康宇，中國科學院北京基因組研究所張維綺研究員和範豔玲助理研究員，紐約大學醫學院博士後楊巧豔為並列第一作者。

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參考文獻

1。 Eriksson， M。， et al。， Recurrent de novo point mutations in lamin Acause Hutchinson-Gilford progeria syndrome。 Nature， 2003。 423（6937）： p。 293-8。

2。 Cui，Y。， et al。， Generation of a preciseOct4-hrGFP knockin cynomolgus monkey model via CRISPR/Cas9-assisted homologousrecombination。 Cell Res， 2018。 28（3）：p。 383-386。

3。 Yao，X。， et al。， Generation of knock-incynomolgus monkey via CRISPR/Cas9 editing。 Cell Res， 2018。 28（3）： p。 379-382。

4。 Komor，A。C。， et al。， Programmable editing of atarget base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage。 Nature，2016。 533（7603）： p。 420-4。

5。 Kim，K。， et al。， Highly efficient RNA-guidedbase editing in mouse embryos。 Nat Biotechnol， 2017。 35（5）： p。 435-437。

6。 Liu，Z。， et al。， Highly efficient RNA-guidedbase editing in rabbit。 Nat Commun， 2018。 9（1）： p。 2717。

7。 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。

8。 Xie，J。， et al。， Efficient base editing formultiple genes and loci in pigs using base editors。 Nat Commun， 2019。 10（1）： p。 2852。

本文轉載自公眾號“BioArt”（BioGossip）

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