Cell：利用TALEN基因組編輯有望治療心血管疾病

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2018年12月8日/生物谷BIOON/---心血管疾病是心臟病、中風和其他的影響心臟和血管的疾病的總稱。根據世界衛生組織(WHO)的數據，心血管疾病是世界上死亡的主要原因，每年導致全球大約1800萬人死亡。這類疾病通常源於動脈粥樣硬化，即血管內的斑塊堆積，這能夠阻斷血液流動並引起血管壁破裂。

許多因素讓人們具有更高的心血管疾病風險，包括高膽固醇、高血壓、吸煙、肥胖和不活動。近年來，基因組研究已揭示了心血管疾病的一些主要的遺傳風險。9p21.3單倍型(9p21.3 haplotype)是與冠狀動脈疾病---一種讓將血液輸送到心臟中的血管受到破壞的疾病---風險增加相關的第一個常見的基因組區域，而且它還會增加動脈瘤和中風等相關疾病的發病幾率。它是目前世界上已知最具影響力的心血管疾病遺傳原因。在美國，它每年導致10%～15%的心血管疾病病例。

儘管科學家們知道9p21.3單倍型與疾病風險增加有關，但是這是如何在人體中發生的仍然是個未知數。一個挑戰在於這種疾病風險單倍型僅在人類中發現，與小鼠或其他實驗動物中的基因組區域存在著較差的相似性。另一個挑戰在於這個稱為9p21.3單倍型的基因組區域缺乏任何傳統意義上的蛋白編碼基因，因此很難預測它可能發揮著什麼作用。

圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.11.014。

為了克服這些研究挑戰，在一項新的研究中，美國斯克利普斯研究所的Kristin Baldwin教授及其團隊想要在培養皿中產生人血管細胞，隨後利用基因組編輯對它們進行遺傳研究。他們收集了來自攜帶著9p21.3單倍型高風險版本或低風險版本的人的血液，並讓血液中的細胞經過重編程後產生誘導性多能幹細胞(iPS細胞)。在這個階段，利用稱為轉錄激活因子樣效應物核酸酶(TALEN)的分子剪刀對產生的iPS細胞進行基因修飾，從而移除來自受到影響的供者細胞和未受到影響的供者細胞的9p21.3單倍型風險促進版本或良性版本。接下來，他們誘導這些經過基因編輯的ips細胞變成血管平滑肌細胞，並利用高解析度基因譜和生物工程方法詳細地研究它們。相關研究結果於2018年12月6日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Unveiling the Role of the Most Impactful Cardiovascular Risk Locus through Haplotype Editing」。

Baldwin團隊發現源自高風險個體的血管平滑肌細胞表現出極其廣泛的異常，而且在這些攜帶著9p21.3單倍型高風險版本的血管平滑肌細胞(下稱高風險血管平滑肌細胞)中，3000多個基因受到影響---將近占人類基因總數的10%。對這些基因進行的基於計算機的研究結果表明這些高風險血管平滑肌細胞可能在與疾病相關的關鍵功能方面存在缺陷。當在實驗室進行測試時，Baldwin團隊發現，與攜帶著9p21.3單倍型低風險版本的血管平滑肌細胞(下稱低風險血管平滑肌細胞)相比，成熟的高風險血管平滑肌細胞更加脆弱，收縮力更小和更不能夠地粘附於它們的周圍環境。

接下來，Baldwin團隊想要知道這3000個左右的基因是否可能有助於揭開最近發現的與冠狀動脈疾病風險相關的大約100個其他基因的影響。出乎意料的是，這些高風險血管平滑肌細胞在三分之一以上的基因(38個基因)上發生變化，這表明9p21.3單倍型以某種方式與這種基因網路相互作用或甚至控制這種基因網路。

通過更深入地研究，Baldwin團隊鑒定出一個潛在的關鍵主調節因子(ANRIL)，它本身是一類神秘的基因的一個成員，不會產生蛋白，但會產生長鏈非編碼RNA(lncRNA)分子。他們注意到高風險血管平滑肌細胞具有更高水平的幾種較短的ANRIL RNA形式。當他們將這些較短的ANRIL RNA添加到健康的血管平滑肌細胞中時，它們出現了疾病的關鍵特徵，這表明這些較短的ANRIL RNA可能是血管平滑肌細胞在健康狀態和疾病促進狀態之間進行轉換的主導體蛋白(master conductor)。此外，利用基因組編輯剔除高風險血管平滑肌細胞中的9p21.3單倍型高風險版本會拯救它們的穩定性。

這項研究展示了對多能性幹細胞進行基因組編輯來研究人類疾病的遺傳風險的力量，特別是遺傳風險在人類基因組區域或者垃圾DNA中是獨特的。這些研究結果不僅提供了關於這種9p21.3單倍型高風險版本如何破壞血管健康的新見解，而且也提供了一條新途徑來研究和靶向廣泛參與冠狀動脈疾病的基因調控網路。

值得注意的是，9p21.3單倍型對血管平滑肌細胞的功能特徵和遺傳特徵產生如此重大的影響。 雖然它不能編碼蛋白，但是它對疾病的影響是重大的。鑒於這項研究揭示出它在破壞血管壁中發揮的作用，人們有可能開發出一種更好的方法來阻止它。

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