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科研进展

陈婷实验室首次利用CRISPR/Cas9系统在病人特异性的隐性营养不良性大疱性表皮松解症(Recessive dystrophic epidermolysis bullosa, RDEB)小鼠模型表皮干细胞中实现成体基因修复

发布时间:2017/02/03

    2017131日,我所陈婷实验室在《PNAS》在线发表了题为“Efficient in vivo gene editing using ribonucleoproteins in skin stem cells of recessive dystrophic epidermolysis bullosa mouse model”的研究论文。该研究首次利用体外成熟的Cas9/sgRNA核糖蛋白复合物在病人特异性的隐性营养不良性大疱性表皮松解症(Recessive dystrophic epidermolysis bullosa, RDEB)小鼠表皮干细胞实现了成体基因修复,从而为RDEB疾病以及其它遗传性皮肤疾病的治愈提供了全新方案。

    隐性营养不良性大疱性表皮松解症是由皮肤中VII型胶原(Collagen VII)蛋白功能异常引起的隐性皮肤遗传病。在正常皮肤中,表皮角化细胞(Keratinocyte)与真皮中的成纤维细胞(Fibroblast)分泌的Collagen VII首先形成同源三聚体,然后组装成锚原纤维(anchoring fibrils),从而使得表皮与真皮牢固结合。在RDEB病人体内,Col7a1基因中一些突变使得VII型胶原功能异常,从而导致表皮与真皮的脱离,产生血疱。基因治疗是唯一可以根治此类疾病的治疗方法。CRISPR/Cas9系统是一种高效的基因编辑系统,近年来逐渐用来治疗一些以前毫无根治方法的遗传疾病。但,高效的体内导入CRISPR/Cas9的转运系统一直制约着这种技术向临床的应用。

    为探索利用CRISPR/Cas9系统实现成体基因编辑从而治愈RDEB疾病,陈婷实验室研究人员首先建立病人特异性地RDEB小鼠模型。突变纯合体(Col7a1 c.6485G>A mut/mut)小鼠在出生后出现与病人相似的血疱表型。而杂合型(Col7a1 c.6485G>A wt/mut)小鼠皮肤完整,没有出现任何病症。组织切片结果显示在出现血疱位置的皮肤,表皮与真皮层相分离。即使在没有出现血疱的背部皮肤以及尾巴上的皮肤,表皮与真皮连接松散,也呈现出表皮与真皮分离的表型。Collagen VII免疫荧光染色结果显示,在野生型老鼠皮肤Collagen VII呈线性分布在表皮与真皮之间的基底层位置。而在突变纯合体中,Collagen VII蛋白则弥散分布在表皮的基底层细胞(Basal cells)以及靠近基底层的真皮层细胞中。

    Collagen VII 蛋白按照其结构特征,可分为NNC1、位于中部的中部螺旋结构域(central helical region)以及CNC2结构域。其中中部螺旋结构域在蛋白质一维结构上由许许多多“Gly-X-Y”重复序列构成。理论上,将含有突变的第80位外显子进行切除后,只会导致Collagen VII 蛋白在长度上稍微缩短,而不会对其蛋白功能造成影响。为了验证第80位外显子切除是否安全,研究人员再一次通过CRISPR/Cas9系统介导的NHEJ细胞修复途径制作了第80位外显子转录缺失小鼠(Col7a1 ΔExon80)。杂合以及纯和突变小鼠与野生型小鼠表型一致,新生鼠与成年鼠都没有RDEB疾病的血疱表型。Collagen VII蛋白无论是在突变杂合体还是纯合体中都呈线性分布在基底层位置。组织切片也显示突变杂合体与纯合体小鼠皮肤组织结构完整,表皮与真皮连接完好。研究人员接下来筛选出能够特异、高效地介导第80位外显子切除的sgRNAs,并在体外表皮干细胞系中验证了sgRNA能够成功介导第80位外显子切除。

    随后,研究人员建立了通过电击介导的Cas9/sgRNA核糖蛋白复合物皮内导入系统。为了准确、严谨地证明CRISPR/Cas9系统转运到皮肤细胞内并且能够正常发挥其功能,研究人员用表达Cas9蛋白以及两个特异性识别Flox位点的sgRNA的质粒通过电击的方法导入皮肤细胞来激活Rosa26-stop-tdTomato小鼠尾部皮肤细胞,发现几乎所有的RFP+细胞分布在已分化的角质细胞中。当将质粒替换成Cas9/sgRNA Ai14-L/R核糖蛋白复合物时, Cas9/sgRNA核糖蛋白复合物不但能够转运到已分化的角质细胞中,同样可以高效的转运到基底层细胞中。通过长时间的跟踪观察。研究人员证实RFP+基底层细胞不但可以随着时间进行扩增,而且可以分化成表皮层细胞。

    为了证明Cas9/sgRNA核糖蛋白复合物在小鼠体内对Col7a1基因进行了外显子切除,并且合成了80位外显子缺失的mRNA,研究人员在Col7a1 c.6485G>A mut/mut, Rosa26-stop-tdTomato fl/wt小鼠中,利用Cas9/sgRNAsgRNA col7a1-L/R, sgRNA-Ai14-L/R)核糖蛋白复合物进行Col7a180位外显子切除同时激活Ai14细胞。在富集RFP+细胞中,研究人员在小鼠体内成功检测到了基因组DNA以及mRNA编辑之后的产物,并且通过测序进行了验证。更为重要的是,研究人员对修复后的小鼠皮肤中Collagen VII进行了免疫荧光染色的分析。一旦进行一次皮内注射Cas9/sgRNA-col7a1-L/R核糖蛋白复合物并进行电击后,Collagen VII蛋白在基底层处分布明显增多。另外,在经过基因修复后的col7a1 c.6485G>A-mut/mut小鼠中,表皮与真皮粘附比例从~30%上升到~60%

    综上所述,Cas9/sgRNA核糖蛋白复合物能够通过电击介导体内Col7a1基因的编辑,从而,恢复Collagen VII蛋白功能,并且,修复RDEB表型。

    北京大学-清华大学-北京生命科学研究所(PTN)联合培养项目吴文波为本文第一作者;其他作者包括陈婷实验室博士生陆智伟、李飞、钱南南、技术员王文洁、张昱实验室博士生段金志;该论文的其他作者还包括我所张昱博士,转基因中心的王凤超博士;陈婷博士为本文通讯作者。该研究由北京市科学技术委员会、科技部973项目资助,在北京生命科学研究所完成。

    原文链接:http://www.pnas.org/content/early/2017/01/24/1614775114.long