Nature子刊：迷你基因疗法有望治疗罕见的Usher综合征

　　科学家们设计了一个“迷你基因”来取代在Usher 1F中发生突变的基因。迷你基因在小鼠身上发挥出作用，产生了缺失的蛋白质，使毛细胞能够感知声音并恢复听力。

　　

1F型Usher综合征是一种罕见但严重的遗传病，会导致耳聋、缺乏平衡和渐进性失明。

如今，由哈佛医学院、马萨诸塞州眼耳科医院和俄亥俄州立大学等领导的研究团队在开发这种罕见病的基因疗法方面迈出了重要的第一步。

这项在小鼠身上开展的研究于4月26日发表在《Nature Communications》杂志上。

科学家们设计了一个“迷你基因”（也就是原基因的缩短版）来取代在Usher 1F中发生突变的基因。突变使得内耳的毛细胞无法产生一种参与声音传输的关键蛋白质。迷你基因在小鼠身上发挥出作用，产生了缺失的蛋白质，使毛细胞能够感知声音并恢复听力。

由于Usher 1F患者的视力丧失也涉及到同一蛋白质，只是形式略有不同，因此研究人员表示，同样的方法也许还能预防失明。

共同资深作者、马萨诸塞州眼耳科医院的耳鼻喉科助理教授Artur Indzhykulian表示：“Usher 1F患者生来就带有严重的听力丧失和渐进性视力丧失，到目前为止，我们能够为这些家庭提供的解决方案还很少。”

研究人员计划继续在其他动物模型中测试这种迷你基因，并希望最终在人类身上进行测试。

通讯作者、哈佛医学院的转化医学教授David Corey谈到：“天生失聪，然后失去视力，这完全是毁灭性的，因此我们希望这种迷你基因最终能用于这种疾病的治疗。”

原来是PCDH15基因出了问题

患有Usher综合征的儿童通常在出生时完全失聪或听力严重受损，有平衡问题，随着视网膜的恶化而逐渐丧失视力。他们在成年后往往会失明。

这些问题的出现是由于原钙粘蛋白-15的编码基因（PCDH15）发生了突变，影响了蛋白质的产生。这种蛋白质是听觉和视觉系统的正常运作所必需的，在耳朵和眼睛中的形式略有不同。

Corey实验室的研究人员一直对原钙粘蛋白-15在内耳中的作用感兴趣。具体来说，他们想知道这种蛋白质如何帮助耳朵中的感觉受体（毛细胞）将来自环境的振动转化为电信号，而大脑再将其解读为声音。

研究团队之前发现，原钙粘蛋白-15与毛细胞中的另一种蛋白质（钙粘蛋白23）结合在一起，形成细丝，当这些细丝束振动时，会打开离子通道，从而允许电流进入毛细胞。如果没有这种蛋白质，电流就不能进入毛细胞，从振动到电流的转换就无法发生，大脑就不能探测到声音。

至此，Corey团队对设计Usher 1F的基因疗法表现出兴趣。他们的想法是将编码原钙粘蛋白-15的DNA引入细胞，让细胞开始生产这种蛋白质。然而，问题是PCDH15的编码序列太长了，无法包装到运输DNA的AAV载体中。

因此，研究人员决定探索另一个选项：缩短DNA，创造一个迷你基因，它仍然编码功能蛋白，但又小到可以装入病毒载体。

这个基因变成了迷你版

第一步艰苦的工作是绘制原钙粘蛋白-15外部结构的所有25000个原子，这一过程由共同资深作者Marcos Sotomayor完成，他曾是哈佛医学院的研究员，现在是俄亥俄州立大学的化学和生物化学副教授。

利用X射线晶体衍射和低温电子显微镜分析，Sotomayor发现这种蛋白质包含11个胞外结构域（EC），就像一条链上的11个环。随后，他制造了八个不同版本的原钙粘蛋白-15，每一个都缺少了不同的环，使得蛋白质更小。研究人员将截短的蛋白质结构反向设计成DNA，以便对迷你基因进行测试。

Indzhykulian在培养皿中的内耳细胞上测试了八个迷你基因。他证实，由迷你基因DNA产生的截短版本的原钙粘蛋白-15确实与它的伙伴钙粘蛋白-23结合在一起。研究人员从中选择了三个可装入AAV载体的迷你基因，并在小鼠身上进行测试。最终，只有一个迷你基因起作用。

这个基因促使毛细胞产生迷你版的原钙粘蛋白-15，它与钙粘蛋白-23结合，形成打开离子通道所需的细丝。毛细胞成功地将振动转化为电信号。在小鼠上开展的听觉测试表明，它们的大脑可以接收到来自耳朵的声音信号——之前失聪的动物终于听到声音了。

“我们都非常惊喜，”Corey说。“我们认为这需要多年的优化和尝试，并调整蛋白质结构，但这个版本很有效。”

从耳朵到眼睛

虽然这种迷你基因在Usher 1F小鼠模型中成功治疗了耳聋，但研究人员对其是否能治疗与疾病相关的失明更感兴趣。

研究人员指出，有些Usher 1F患儿天生就严重失聪，内耳可能缺乏毛细胞，因此这种迷你基因不太可能改善他们的听力。不过，这些儿童可以通过人工耳蜗植入来改善听力。

然而，失明就是另一回事了，因为患有Usher 1F的儿童天生视力正常。他们说，如果这种迷你基因能产生视网膜中缺少的原钙粘蛋白-15，它就能阻止视力丧失。

如果治疗视力丧失是他们的主要目标，那么为什么要先在小鼠内耳中测试迷你基因呢？

研究人员表示，这主要是因为原钙粘蛋白-15缺乏只会导致小鼠轻度视力丧失，且进展缓慢。这意味着在小鼠模型中测试迷你基因需要数年时间，而且很难判断它们的效果如何。相比之下，这些小鼠生来就完全失聪，因此他们在几周内就得到了明确的结果。

“整个项目都是为了研究耳朵而设计的，我们的想法是，在耳朵上起作用的东西以后也可以应用到眼睛上，”Corey说。“尽管最好的测试系统是小鼠内耳，但我们的目标是治疗失明。”

Corey实验室目前正在斑马鱼的眼睛中测试这个迷你基因。相对而言，这是一个更好的模型，因为当视网膜不产生原钙粘蛋白-15时，斑马鱼的视力丧失会比小鼠更严重、更迅速。

如果这个迷你基因在斑马鱼视网膜上起作用，研究人员将在灵长类动物身上进行测试，并最终在人类身上进行测试。

原文检索

Ivanchenko, M.V., Hathaway, D.M., Klein, A.J. et al. Mini-PCDH15 gene therapy rescues hearing in a mouse model of Usher syndrome type 1F. Nat Commun 14, 2400 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38038-y