我校李晓江团队在《Cell》发表重要学术成果 全球首例神经疾病基因敲入大动物模型

发布单位:人员机构 [2018-04-08 10:37:00] 打印此信息

3月30日,我校粤港澳中枢神经再生研究院李晓江教授团队、中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学教授团队和美国Emory大学李世华教授团队合作研究成果“A huntingtin knock-in pig model recapitulates features of selective neurodegeneration in Huntington’s disease”正式在《Cell》杂志正刊刊出。

(《Cell》杂志刊出论文

该论文第一署名单位为暨南大学。我校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刘朝明为该论文的共同第一作者,李晓江教授、赖良学教授和李世华(Shihua Li)教授为该论文的共同通讯作者。

(团队成员)

该研究首次利用基因编辑技术(CRISPR/Cas9)和体细胞核移植技术,成功培育出世界首例亨廷顿舞蹈病基因敲入猪,精准地模拟出人类神经退行性疾病,为开发治疗亨廷顿舞蹈病的新手段提供了稳定、可靠的动物模型,也为培育其它神经退行性疾病大动物模型提供了技术范本和理论依据。研究将推动我国发展出大动物疾病模型的医药研发产业链,也可用于干细胞治疗等手段的临床前评价,最终造福于人类。

(亨廷顿基因敲入猪模型制备流程图)

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。亨廷顿舞蹈病是由单基因(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。


(团队成员与“亨廷顿舞蹈病基因敲入猪”合影)

    中科院院士裴钢教授在得知该成果发表后指出,这次我国科学家在猪的疾病模型研究中又取得重大进展,表明我国在大动物模型的研究中已走在世界前列,将极大地推动我国生物医药产业的创新发展。

洪岸副校长在3月29日举办的“暨南大学、中国科学院广州生物医药与健康研究院科研成果新闻发布会”上从三个方面指出了该项科研成果的非凡意义:一是我校科研人员研究出全球首例亨廷顿疾病猪基因敲入模型,标志着中国科学家在大动物疾病研究模型领域取得了重大突破,领跑在世界前沿。二是该成果将为人类疾病发病的机理研究和创新药物的研发、评价提供重要的技术支撑。三是该成果为国家脑科学与类脑研究重大战略部署和推进科技成果应用技术的转化做出了应有的贡献。她说,广东是医药大省但还不是医药强省,在此背景下,广东的大地孕育出的此项突破性成果,将为推动广东生物医药和药学的创新链、产业链发展助力。

该研究得到广东省高水平大学建设经费的资助,同时也得到国家自然科学基金委重大研究计划和重点研究计划、广东省科技计划的支持。

【深度解读】

从转基因亨廷顿疾病猴模型到转基因亨廷顿疾病猪模型:

探索一直在路上

据统计,2015年我国60岁以上及人口达到2.22亿,占总人口的16.15%,预计到2020年,老年人口达2.48亿,老龄化水平达到17.17%,而到2025年,60岁以上人口将达到3亿,我国将成为超老年型国家。随着社会老龄化程度不断加深,因老龄化引起疾病包括亨廷顿疾病、阿尔茨海默病(老年痴呆)、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症(渐冻人)等在内的神经退行性疾病成为了生命科学领域亟待攻克的难题。据李晓江教授介绍,神经退行性疾病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,从而导致神经退行性疾病发生。

作为常见的动物模型,小鼠模型早已被广泛用于研究人类疾病机理。但是,解剖后可以发现,小鼠模型并不能表现像病人脑中一样的典型神经细胞死亡。缺乏这一关键病理特征的小鼠模型难于用来寻找治疗神经退行性疾病的有效药物。事实上,在小鼠模型中有治疗效果的药物在临床上对患有神经退行性疾病的病人往往无效。

李晓江等人认为这是由于鼠与人之间的种属差异过大。为了探索与人类更相似的大动物能否更好地模拟神经退行性疾病,李晓江及李世华在2008年与美国Emory大学合作者通过将外源性的突变基因引入猕猴体内成功地建立了国际上第一只转基因亨廷顿疾病猴模型。

在转基因亨廷顿疾病猴模型中,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,实验中的转基因猴子基本在出生后较短时间内死亡且无法传代。因此,转基因亨廷顿疾病猴模型无法达到筛选治疗疾病的药物的目的。

考虑到猪的大脑与人类也较为相似且具有较短的繁殖周期为多胎动物更利于作为动物模型进行疾病的研究。在2010年时李晓江教授与赖良学教授首次合作,共同建立了首例转基因亨廷顿疾病猪模型。赖良学教授团队在克隆猪疾病模型的建立,ips嵌合体猪,以及干细胞治疗领域具有丰富的研究经验,是华南地区最重要的大动物疾病模型实验平台之一,赖教授团队成功建立了20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。

然而与转基因亨廷顿疾病猴模型一样,转基因亨廷顿疾病猪模型也具有明显的表型特征,但不易存活,无法传代。这一问题,曾一度令他们感到非常困扰。“人是在某个定点基因突变而导致亨廷顿疾病,而目前转基因技术是随机性的在内性基因中插入外源性突变基因,其表达量也高于内源性致病因。”闫森博士解释道。

全球首例亨廷顿疾病基因敲入猪模型:

关键性突破

为了建立能更准确模拟亨廷顿疾病的动物模型,同时也给其他退行性疾病动物模型制备及建立提供新的参考,2013年两个团队再度合作,尝试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。

李晓江教授指出,因为亨廷顿疾病是因内源性基因突变而造成的,如果直接把猪的内源性基因改变为突变基因,猪的病理变化应该与病人的病理状态更接近。因此,他们决定将突变HD的基因敲入到猪的内源性基因中。

从方法论角度看,这并非一件易事。因为要将用来胚胎移植的单细胞逐个挑出来并进行筛选及签定。负责此项实验工作的闫森博士大约筛查了一千多个细胞,从中挑出确定带有突变基因且状态最好的细胞,并运用体细胞核移植技术进行克隆从而生育出带有突变基因的新生猪。

随着基因编辑技术的发展,基因定点插入效率低的问题得到了有效的改善。李晓江教授等人最终成功建立了亨廷顿疾病基因敲入猪模型,即一个与亨廷顿疾病病人的突变基因一模一样的猪模型。

研究表明,亨廷顿疾病猪基因敲入模型不但能够模拟亨廷顿疾病患者在大脑纹状体的中型棘突神经元选择性死亡的典型病理特征,而且在行为表型上也能表现出类似亨廷顿疾病的“舞蹈样”行为异常,更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。

作为全球首例亨廷顿疾病猪基因敲入模型,它表明在模拟病人的神经病理变化特别是脑疾病方面大动物模型的确比小动物模型更具优势。同时,它也为制备其他疾病大动物模型提供了技术范本和理论依据。

除此之外,该模型为开发治疗亨廷顿疾病新手段提供了稳定可靠的动物模型,也将推动其他如阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症等神经退行性疾病的发病机制的研究与治疗。随着实验的进一步深入,开发治疗神经退行性药物的步伐将极大加快,切实改善人类的生命健康,尤其是改善日益增长的老龄化人口的生活质量和身体健康。在我国科技部在大动物模型的前瞻性战略布局,继猴模型之后,猪模型也取得了重大突破,标志我国大动物模型的研究走在了世界前列,这将为国家脑科学与类脑研究重大战略部署,推进科技成果应用技术的转化做出应有的贡献。

“实验不能停”:

双管齐下

《细胞》与《自然》、《科学》并称为“世界三大顶级科技杂志”,主要刊登全世界在生命科学研究领域的最新、最重要的原创性成果。李晓江教授表示,此项科研成果的发表是国际专家对参与研究的工作人员多年努力付出的肯定。

目前,团队已经着手开展了新的研究。“实验不能停”,闫森博士说道,“生物科技日新月异,停下来就跟不上发展的步伐。”闫森博士说,文章发表的确会比较开心,主要是多年的辛勤劳动得到肯定,但这种幸福也只是短暂的,困难依然还在,疾病仍未被攻克,这篇文章的发表更激起了老师们、伙伴们的研究欲望和信心,希望有朝一日攻克下这些困扰目前或者即将困扰未来的我们的疾病,我们一直在和时间赛跑。

疾病模型建立成功之后,一方面,他们将利用亨廷顿疾病猪基因敲入模型来继续研究如何治疗神经退行性疾病,以期尽早将研究成果运用于临床;另一方面,他们将继续利用大动物建立更多的疾病模型用于临床前的研究及转化。

在李晓江教授看来,优秀的科研工作者的共性素质或许可以总结为:兴趣、坚持、耐心。“做科研特别不能急功近利,我们这个项目做了好几年,其实主要是在等待。不是说一有结果就发布,我们在等待更多的结果。”李晓江教授如是说。

“21世纪是生命科学的世纪”,研究与探索将永远在路上,创造与突破一直值得期待。

文章链接:http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)30285-X