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《Cell Stem Cell》編輯長壽基因,獲世界上首例遺傳增強的人類血管細胞

科學家們通過靶向編輯單個長壽基因產生了世界上首例遺傳增強的人類血管細胞。

干細胞技術在再生醫學中具有廣闊的應用前景。由干細胞體外誘導分化獲得的多種類型細胞移植入病灶部位后,可達到促進病損組織再生、恢復組織器官穩態和功能的目的。然而,干細胞治療在有效性和安全性方面尚存局限,阻礙了該技術的普及。

中國科學院生物物理研究所劉光慧研究組、北京大學湯富酬研究組和中國科學院動物研究所曲靜研究組聯合攻關,通過靶向編輯單個長壽基因產生了世界上首例遺傳增強的人類血管細胞。這些血管細胞與野生型血管細胞相比,不但能更高效地促進血管修復與再生,而且能有效抵抗細胞的致瘤性轉化。遺傳增強人類血管細胞的成功獲得為開展安全有效的臨床細胞治療提供了重要解決途徑。該研究工作于2019年1月18日以“FOXO3-engineered human ESC-derived vascular cells promote vascular protection and regeneration”為題發表在Cell Stem Cell。

FOXO3是重要的人類長壽基因,與延緩細胞衰老、抵御外界應激和增強心血管穩態關系密切。此外,FOXO3的活化可通過誘導抑癌基因表達抵抗細胞的惡性轉化。研究人員歷時六年的探索,最終利用第三代腺病毒載體HDAdV介導的基因編輯技術巧妙地置換了人類胚胎干細胞中FOXO3基因的第3號外顯子中的兩個單核苷酸,從而實現了抑制細胞中FOXO3蛋白的磷酸化和降解,促進FOXO3在細胞核內的聚集進而激活下游靶基因的表達。

當FOXO3遺傳激活的人類胚胎干細胞被定向分化為血管內皮細胞(血管內膜)、血管平滑肌細胞(血管中膜)及間質細胞(血管外膜)時,這三種血管細胞均表現出比野生型細胞更強的自我更新、抵抗氧化損傷及延緩細胞衰老等能力。在機制方面,內源激活的FOXO3通過拮抗CSRP1基因表達介導對血管細胞衰老的抵抗作用。更為重要的是,將遺傳增強的人類血管細胞靶向移植到動物模型的缺血部位,可高效促進受損血管的再生,迅速恢復缺血部位的血流,證明這些細胞具有明顯優于野生型細胞的血管修復能力。為驗證遺傳增強干細胞作為移植材料的安全性,研究人員將多種致癌因子導入野生型和遺傳增強的干細胞中,發現遺傳增強干細胞還可以有效地抵抗癌基因誘導的細胞惡性轉化。綜上所述,通過改寫人類基因組中的兩個堿基,研究團隊成功建立了可同時抵抗細胞衰老和癌變的優質人類血管細胞。

這項研究首次利用基因編輯技術實現了人類血管細胞的功能增強,揭示了長壽蛋白FOXO3維持人類血管穩態的新機制,從概念上證明了利用基因編輯策略獲得優質安全人類血管細胞移植物的可行性。此外,該研究使規模化和標準化制備優質安全的人類細胞治療材料成為可能,為未來的再生醫學提供了一個具有潛力的選項,對發展更加安全有效的臨床細胞治療策略具有深遠意義。

圖. FOXO3功能增強可延緩血管衰老,增強應激抵抗并防止細胞癌變

劉光慧團隊長期致力于衰老、干細胞和基因編輯的研究,并取得了一系列開拓性的研究成果。包括:利用輔助病毒依賴的腺病毒載體(HDAdV)介導的基因編輯首次實現了人類干細胞中致病基因突變的高效矯正(Cell Stem Cell 2011);首次證明了HDAdV和TALEN兩種基因編輯工具的安全性,發展了安全高效的新型基因編輯工具telHDAdV(Cell Stem Cell 2014);在人類(疾病)干細胞中修復或編輯了10余種致病基因突變,并基于此建立了系列疾病研究和藥物篩選平臺(Cell 2016,Science 2015,Nature 2012,Nature 2011,Nat Commun 2014,Cell Stem Cell 2011,Cell Res 2016;Protein Cell 2016,Aging Cell 2017);在經典基因編輯工具TALEN基礎上研發三維基因組動態成像工具TTALE(Cell Res 2017);利用CRISPR/Cas9建立了世界上首例長壽基因敲除猴模型(Nature 2018)。

此次遺傳增強人類血管細胞的獲得,是繼2007年劉光慧團隊創建國際首例抵抗細胞衰老和癌變的遺傳增強人類干細胞(Cell Res 2017)之后,人類細胞功能增強策略應用于再生醫學研究領域的又一次突破。這些研究成果均表明,人類基因組的遺傳密碼可以被創造性改寫,并有望被安全有效地應用于疾病治療。

研究工作由中科院生物物理所、中科院動物所、中科院干細胞與再生創新研究院、北京大學、首都醫科大學宣武醫院等機構合作完成。中科院生物物理所劉光慧研究員、北京大學湯富酬研究員以及中科院動物所曲靜研究員為共同通訊作者。中科院生物物理所碩士研究生顏鵬澤和北京大學博士研究生李晴晴為并列第一作者。該項目得到科技部、國家自然科學基金委和中國科學院戰略科技先導專項的支持。

參考資料:

FOXO3-engineered human ESC-derived vascular cells promote vascular protection and regeneration

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(18)30592-7

本文來源:生物通

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