新的DNA修復工具包成功修復患者遺傳性疾病

在這項新研究中，國際研究小組描述了他們如何創造出一種DNA修復工具來從基因上修復有缺陷的podocin，這是一種遺傳性類固醇抵抗性腎病綜合征(SRNS)的常見遺傳原因

Podocin是一種位于特殊腎臟細胞表面的蛋白質，對腎臟功能至關重要。然而，有缺陷的podocin會滯留在細胞內，永遠無法到達表面，最終破壞足細胞。由于這種疾病不能通過藥物治愈，修復導致podocin缺陷的基因突變的基因療法給患者帶來了希望。

通常，人類病毒已經被用于基因治療應用來進行基因修復。它們被用作“特洛伊木馬”，進入攜帶錯誤的細胞。目前主要的系統包括慢病毒(LV)、腺病毒(AV)和腺相關病毒(AAV)，它們都是相對無害的病毒，容易感染人類。然而，這些病毒都有相同的局限，它們都局限在病毒殼內的空間中。這反過來又限制了它們可以運送的貨物的數量，即高效基因修復所需的DNA試劑盒，這大大限制了它們在基因治療中的應用范圍。

布里斯托爾生物化學學院的Francesco auicino博士和Imre Berger教授領導的團隊運用合成生物學技術，重新設計了桿狀病毒，這是一種對人類無害的昆蟲病毒，不再受限于有限的貨物容量。

“桿狀病毒與LV、AV和AAV的區別在于，它沒有一個堅硬的外殼來封裝貨艙。”這項研究的負責人弗朗西斯科·奧里西諾博士說。桿狀病毒的外殼就像一根空心的棍子——當貨物增加時，它會變長。這意味著桿狀病毒可以提供更多復雜的工具來修復基因缺陷，使其比常用的系統更通用。

首先，桿狀病毒必須具備穿透人體細胞的能力，這是它通常無法做到的。奧里奇諾博士解釋說:“我們用蛋白質裝飾了桿狀病毒，使其能夠非常有效地進入人類細胞。”這種改良的桿狀病毒被認為是安全的，因為它只能在昆蟲中繁殖，而不能在人類細胞中繁殖。然后，科學家們利用改造過的桿狀病毒傳遞了比以前更大的DNA片段，并將這些片段構建到一系列人類細胞的基因組中。

人類基因組中的DNA由30億個堿基對組成，約有2.5萬個基因，它們編碼細胞功能所必需的蛋白質。如果我們的基因中出現錯誤的堿基對，就會產生錯誤的蛋白質，從而使我們生病，導致遺傳性疾病。基因療法有望通過糾正我們基因組中的這些錯誤，從根本上修復遺傳性疾病。基因編輯方法，特別是基于CRISPR/ cas的方法，通過實現堿基對精度的基因修復，極大地推動了該領域的發展。

該團隊使用了患者衍生的帶有致病錯誤的基因組的足細胞來證明他們的技術的能力。通過制造一種DNA修復試劑盒，包括基于蛋白質的剪刀和指導它們的核酸分子，以及替換錯誤基因的DNA序列，該團隊向單一工程桿狀病毒交付了一份健康的podocin基因副本，同時使用CRISPR/Cas機制，以堿基對的精度將其插入基因組。這能夠逆轉致病表型，并恢復細胞表面的podocin。

Imre Berger教授解釋說:“我們以前用桿狀病毒感染培養的昆蟲細胞，以產生重組蛋白，研究它們的結構和功能。”這種名為MultiBac的方法由伯杰實驗室開發，在世界各地的實驗室中已經非常成功地制造了具有許多亞基的非常大的多蛋白復合物。“MultiBac已經利用桿狀病毒外殼的靈活性，將大片段DNA傳遞到培養的昆蟲細胞中，指導它們組裝我們感興趣的蛋白質。”當科學家們意識到同樣的特性可能會改變人類細胞中的基因療法時，他們開始著手創建他們發表在出版物上的新系統。

奧里奇諾博士補充說:“有很多途徑可以利用我們的系統。除了podocin修復，我們還可以證明，通過使用我們的單桿狀病毒投遞系統和最新的編輯技術，我們可以同時有效地糾正基因組中不同位置的許多錯誤。”

“SRNS是影響腎臟的最常見的遺傳疾病之一”Moin Saleem教授說，他是布里斯托爾腎遺傳疾病基因治療的主要專家。“SRNS的特點是早期腎衰竭，導致患者的生活質量嚴重下降。”

布里斯托爾腎臟大學的腎臟細胞生物學教授加文·威爾士總結道:“這些結果非常令人鼓舞。Berger團隊開創的這種新方法不僅對SRNS有希望，而且對一系列其他腎臟遺傳疾病也有希望，這些疾病目前的技術無法有效地進行基因修復。要實現一種新的載體系統用于臨床應用，還有很長的路要走，但我們相信，它所提供的優勢使這項工作非常有價值。”

這項研究獲得了歐洲研究理事會(ERC)、英國腎臟研究(KRUK)和EPSRC/BBSRC布里斯托合成生物學研究中心(BrisSynBio)的資助。

關于類固醇抵抗性腎病綜合征(SRNS)

遺傳性SRNS是一種嚴重影響兒童和年輕人的腎臟疾病。它是由基因突變引起的，這些基因對腎臟專門的濾過細胞——足細胞的功能很重要。這些疾病目前還沒有可用的治療方法，并導致腎衰竭的快速發作，需要透析和移植。