哈佛研究人员设计“迷你基因”治疗严重遗传疾病

　　研究人员开发了一种突破性的“迷你基因”，有望成为治疗Usher综合征1F型的基因疗法。这种新疗法已经在小鼠身上进行了测试，结果显示可以增加一种关键蛋白质的产生，这种蛋白质与Usher 1F相关的耳聋和进行性视力丧失有关。这项研究标志着对目前无法治愈的Usher 1F失明的治疗迈出了重要的一步。

　　

一种“迷你基因”疗法，用于治疗一种导致失明和耳聋的衰弱综合征。

Usher综合征1F型是一种罕见的、使人衰弱的遗传性疾病，其特征是耳聋、平衡受损和视力逐渐恶化。现在，来自哈佛医学院、马萨诸塞州眼耳和俄亥俄州立大学的一组研究人员已经迈出了关键的第一步，朝着创造一种针对Usher综合征1F型的基因疗法迈出了第一步。

一种“迷你基因”——一种基因的缩短版本——来取代在Usher 1F中发生突变的基因。这种突变使内耳的毛细胞无法产生一种参与声音传输的关键蛋白质。在小鼠身上，迷你基因增加了缺失蛋白质的产生，使毛细胞能够感知声音并恢复听力。

由于Usher 1F的视力丧失涉及到同一蛋白质的一种略有不同的形式，研究人员说，同样的方法可能对预防失明有用。

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

将专业知识应用于新问题

患有Usher综合征的儿童通常出生时完全失聪或听力严重受损，缺乏平衡，随着视网膜的恶化而逐渐丧失视力。失明通常发生在成年期。

这些问题的出现是由于一种突变干扰了一种叫做原钙粘蛋白-15的蛋白质的产生，这种蛋白质在耳朵和眼睛中的形式略有不同，是听觉和视觉系统细胞正常运作所必需的。

“Usher 1F患者生来就有严重的听力损失和进行性视力丧失，到目前为止，我们能够为这些家庭提供的解决方案很少，”共同通讯作者Artur Indzhykulian说，他是Mass Eye and Ear的耳鼻喉头颈外科助理教授。

HMS Blavatnik研究所Bertarelli转化医学教授David Corey说:“天生失聪，然后失去视力，这是完全毁灭性的，所以我们希望这种迷你基因最终能被用于治疗这种疾病。”

Corey实验室的研究人员长期以来一直对原钙粘蛋白-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是如何帮助耳朵里被称为毛细胞的感觉受体将来自环境的振动转化为电信号的，而大脑将其解读为声音。

Corey的研究小组之前发现了原钙粘蛋白15是如何与毛细胞中的另一种蛋白质钙粘蛋白23结合在一起，形成细丝的，当这些细丝束振动时，细丝会物理地打开离子通道，从而允许电流进入细胞。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不会发生，大脑就不能探测到声音。

通过这项工作，科里对设计一种针对Usher 1F的基因疗法产生了兴趣。该疗法将编码原钙粘蛋白-15的DNA引入细胞，使细胞开始制造这种蛋白质。

然而，由于原钙粘蛋白-15太大了，它的DNA对于用于将遗传物质运输到细胞中的典型病毒胶囊来说太大了。

因此，研究人员决定探索另一种选择:缩短DNA，创造一个迷你基因，它仍然编码功能性蛋白质，但足够小，可以装入病毒胶囊。

一个基因变成了一个迷你基因

第一步是费力地绘制内耳原钙粘蛋白-15外部结构的所有25000个原子，这一过程由共同通讯作者马科斯·索托马约尔完成。Marcos Sotomayor曾是HMS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。

通过X射线晶体学和低温电子显微镜的结合，Sotomayor发现这种蛋白质是由排列成11个链的原子组成的。Sotomayor制造了8种不同版本的原钙粘蛋白-15，每一种都缺失了不同的连接，以使蛋白质更小。然后，研究人员将截断的蛋白质结构反向工程成DNA蓝图，他们可以作为迷你基因进行测试。

Sotomayor解释说:“我们通过细致地研究原钙粘蛋白-15的结构所获得的知识，使我们能够更快地设计出用于基因治疗的更短版本的蛋白质。”

Indzhykulian在培养皿中测试了内耳细胞上的8个迷你基因。他证实，由迷你基因DNA制成的原钙粘蛋白15的截短版本确实与它在毛细胞中的蛋白质伙伴钙粘蛋白23结合在一起。

从那里，研究人员选择了三个小到足以装入病毒胶囊的迷你基因。该研究的主要作者、哈佛医学院神经生物学讲师Maryna Ivanchenko广泛测试了小鼠耳朵中的三种迷你基因，这些基因经过基因改造，可以停止产生原钙粘蛋白-15。最终，只有一个迷你基因起作用了。

该基因成功地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。

接受迷你基因的鼠的听觉测试表明，它们的大脑可以接收到来自耳朵的声音信号——之前失聪的动物可以听到声音。完全失聪的小鼠现在几乎可以像正常小鼠一样听到声音。

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，但研究人员对其治疗与该综合征相关的失明的潜力更感兴趣。

研究报告的作者说，由于携带Usher 1F的儿童天生就严重失聪，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。此外，这些儿童中的许多人能够接受人工耳蜗植入，使他们能够听到声音。研究人员指出，失明是另一回事，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失的原钙粘蛋白-15，它就能阻止视力丧失。

如果治疗视力丧失是主要目标，为什么要从在小鼠内耳中测试微型基因开始呢?

研究人员说，主要是出于后勤方面的原因。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，因此研究人员在几周内就得到了明确的结果。

Corey说:“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，这是一种信念。虽然最好的测试系统是小鼠内耳，但目前的目标是治疗失明。”

Corey实验室现在正在斑马鱼的眼睛中测试这种微型基因——这是一个更好的模型，因为当视网膜中没有产生原钙粘蛋白-15时，斑马鱼的视力会比小鼠更严重、更迅速地丧失。       

如果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。

参考文献:

“Mini-PCDH15 gene therapy rescues hearing in a mouse model of Usher syndrome type 1F” by Maryna V. Ivanchenko, Daniel M. Hathaway, Alex J. Klein, Bifeng Pan, Olga Strelkova, Pedro De-la-Torre, Xudong Wu, Cole W. Peters, Eric M. Mulhall, Kevin T. Booth, Corey Goldstein, Joseph Brower, Marcos Sotomayor, Artur A. Indzhykulian and David P. Corey, 26 April 2023, Nature Communications.