干细胞内精确基因靶向纠正致病突变

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《每日科学》2011年7月27日报道　——　怀特海德学院研究者运用两种不同的方法，成功地对人类胚胎干细胞（ES）与人工诱导多能干细胞（iPS）内的靶向性基因实施了可重复的调控。

其中一种方法是，利用称为锌指核酸酶（ZFN）的蛋白来改变基因组中的单一碱基对，从而插入或移除导致帕金森氏症（PD）早期发作的基因突变。第二种方法依赖于称为转录活化因子样效应核酸酶（TALEN）的蛋白（此蛋白可替代特定基因，其效率与精确性与ZFN相似）。两组实验均在于美国的Sangamo生物科学公司密切合作下完成。目标基因操作解决了一个一直困扰人类干细胞研究的难题——在保证位点特异性前提下，干净利落地改变人类ES与iPS细胞基因组。这种改变是实现干细胞的医疗价值的关键所在；临床移植前必须籍此修正致病突变，或籍此建立研究者用于研究遗传疾病的细胞系。

此类疾病研究方法（即呼声甚高的“培养皿上的疾病”研究方法）以及对修正病变的潜力药的寻求，需要用到遗传特征相同的细胞及对照组（除非是一种特定修改，其作用可由此得以观察）。

怀特海德创始人之一Rudolf Jaenisch说：“象帕金森症之类的疾病与此关系十分密切，因为这类疾病在培养皿中所表现的显型不易觉察。确认细胞有相同的遗传特征与相同的历史很重要。如果你用了来自某人的对照细胞以及来自另外一个人的病变细胞，那么两者之间的比较，就类似于苹果与桔子之间的对比。”

根据发表于7月22日的《Cell》的一篇论文，第一作者Frank Soldner用Sangamo生物科学公司生产的ZFN来形成正常细胞与PD患者细胞、以及几组突变与对照细胞系。通过将一个突变移除或添加至与PD相关的a-突触核蛋白基因，Soldner建立了基因组之间仅有一个单一碱基对不同的细胞系。因此，基于这些细胞系进行的比较研究中观察到的结果差异可以归因于相关突变。

Soldner （Jaenisch实验室博士后研究员）说：“无须基因组的任何其它方面改变（比如说留下了有害的DNA碎片），ZFN就可以传递一个突变。这种精确性对治疗PD以及其它疾病的药物研究非常理想，当然，这也是将ES或iPS向医疗方向推进的一步。”

在进一步提高人类干细胞技术的持续探索中，Jaenisch实验室也一直在研究其它基因靶向方法。其中之一便是应用TALEN，此法利用的是最初发现于某些植物病原体的DNA结合区的一种类型。TALEN本身可在实验室中设计与创建。

为了将TALEN与ZFN的改变基因的能力作比较，Jaenisch实验室的两位博士后研究员——Dirk Hockemeyer 与Haoyi Wang，重复了此前做过的ZFN实验，但这次用上了Sangamo公司的TALEN。在本月上旬发表于《Nature Biotechnology》（《Nature·生物技术》）的一篇论文中，两位作者显示：无论从效率还是从准确度上看，TALEN都与ES与iPS细胞中的ZFN一样，可谓异曲同工。

Wang就此评论说：“这些TALEN蛋白确实令人惊艳。从理论上说，ZFN能做的，TALEN也一样行。”

Hockemeyer则补充：“因为这一代的TALEN特别多才多艺，所以该实验向我们展示了我们能做的许许多多的可能性。看起来TALEN与ZFN都将有助于克服开发人类ES与iPS细胞技术过程中我们所面临的诸多挑战性难题。”

美国国立卫生研究院（NIH）与霍华德·休斯医学研究所（HHMI）合作创新奖金为Soldner的研究提供了资金。

Hockemeyer 与Wang的研究由NIH以及HHMI专项拨款提供资金支持。

两篇论文均在与Sangamo生物科学公司紧密合作下完成，Rudolf Jaenisch来自怀特海德学院，同时也是麻省理工的生物学教授。

Journal References:

Frank Soldner, Josée Laganière, Albert W. Cheng, Dirk Hockemeyer, Qing Gao, Raaji Alagappan, Vikram Khurana, Lawrence I. Golbe, Richard H. Myers, Susan Lindquist et al. Generation of isogenic pluripotent stem cells differing exclusively at two early onset Parkinson point mutations. Cell, July 22, 2011 DOI: 10.1016/j.cell.2011.06.019

Dirk Hockemeyer, Haoyi Wang, Samira Kiani, Christine S Lai, Qing Gao, John P Cassady, Gregory J Cost, Lei Zhang, Yolanda Santiago, Jeffrey C Miller, Bryan Zeitler, Jennifer M Cherone, Xiangdong Meng, Sarah J Hinkley, Edward J Rebar, Philip D Gregory, Fyodor D Urnov, Rudolf Jaenisch. Genetic engineering of human pluripotent cells using TALE nucleases. Nature Biotechnology, 2011; DOI: 10.1038/nbt.1927