小鼠心脏病发作的基因治疗变得更加精确
如果人类能够像蜥蜴和鱼一样再生受损组织，就需要在时间和地点精确控制基因表达——否则你可能会得到随机生长的细胞或新的身体部位永不停止成长。也就是说，停止进程与启动它一样重要。
研究其他动物如何再生受损组织的杜克大学科学家团队朝着以这种精确度控制再生机器的至少一部分迈出了重要一步。他们利用斑马鱼修复心脏损伤所依赖的机制，结合用于人类基因治疗的病毒载体。
在 12 月 13 日在线发表于Cell Stem Cell的一篇新论文中，研究人员展示了控制基因活动以响应损伤的能力，将其限制在特定的组织区域和定义的时间窗口内，而不是在特定的时间窗口内持续活跃整个器官。
他们借用了一段他们称之为 TREE 的鱼类 DNA，即组织再生增强剂元素。TREE 是基因组中包含的一个基因增强子家族，负责感知损伤并协调修复相关基因的活动以在特定位置进行重建。这些增强子还可以在愈合完成时关闭基因活性。这些调节元件已在果蝇、蠕虫、小鼠以及斑马鱼中发现。
“我们可能也有它们，”杜克大学医学院 James B. Duke 再生生物学特聘教授 Ken Poss 博士说，他在 20 年前发现了斑马鱼的心脏再生，并从那以后一直在研究它。“但我们更容易在斑马鱼中找到它们，并询问它们是否适用于哺乳动物。”
这些增强子序列长约 1,000 个核苷酸，布满了不同因子和刺激物的识别位点，以附着和改变基因活性。“我们不完全了解他们是如何做到这一点的，以及他们真正的反应是什么，”波斯说。
Poss 说，动物体内不同的细胞类型也有不同类型的这些增强子。“其中一些对多种组织有反应——我们在这里使用的就是这些组织。但是当我们分析鱼的再生脊髓或鳍时，我们得到不同的序列。” 他补充说，人类基因组中可能有数以万计的此类增强子。
作为这个为期 6 年的研究项目的第一步，研究人员将几种不同种类的斑马鱼 TREE 整合到胚胎小鼠的基因组中。使用可见标记来指示基因活性，他们发现大约一半的增强子按预期工作，并在它们感知到转基因哺乳动物组织损伤的时间和地点将组织变成蓝色。
然后他们想知道他们是否可以使用腺相关病毒选择性地将增强子元件整合到成年小鼠中，腺相关病毒是一种熟悉的基因治疗工具，用于将基因序列引入细胞。该病毒将含有增强子的 DNA 引入所有组织，但希望 TREE 只会在对损伤作出反应时变得活跃。
在老鼠的心脏病模型中进行的一系列实验表明，可以在受伤前一周注入含有 TREE 的病毒，然后增强剂会在检测到受伤时立即开始行动。但他们发现，在心脏病发作后一两天将其引入动物体内也有效。“如果在受伤一天或有时更长时间后交付，我们测试的所有三种 TREE 都可能有效——它们仍然可以针对损伤表达，”Poss 说。
“这种传递 TREE 和基因的方法是否能让我们在正确的时间将分子货物传递到正确的位置?我们发现它在老鼠身上确实如此，”Poss 说。
他们还在猪体内传递了一个 TREE 基因和一个荧光标记基因，猪的心脏更大，心率更接近人类。他们在心脏病发作之前或之后通过冠状动脉将病毒注入猪的心脏，并且标记仅在受伤部位发光。
然后，为了看看这个系统是否真的可以修复损伤，而不是仅仅感知损伤并打开一个基因来点亮组织，他们提供了一种过度激活的 YAP 形式，这是一种与癌症有关的强大的组织生长基因。关键问题是，是否可以将这种可以使细胞分裂失常的“真正有力的锤子”套索到只在正确的时间和地点工作。
他们使用由 TREE 控制的突变 YAP 来观察小鼠心脏病发作后是否可以安全地生长肌肉。“TREE 在受伤部位打开了一个突变的 YAP 几周，然后它自然地关闭了表达，”Poss 说。这种治疗导致肌肉细胞开始分裂，几周后老鼠的心脏恢复了接近正常的功能，但也有一些疤痕。
“你真的不想全力表达 YAP，这会导致过度生长等问题，但我们发现我们可以引导它，”Poss 说。“整只动物都接受了基因治疗，但 YAP 货物只会在你伤害心脏的时间和地点以可测量的水平表达，”Poss 说。“我们认为我们可以使用这些方法在特定时间和特定空间内控制基因，这包括关闭它们。”
研究人员的下一个任务将是更好地了解什么分子与增强子结合，什么控制它们的功能，以及它们在人类基因组中的位置，以及提高它们的靶向能力。
“这些控制元素很重要，”Poss 说。“斑马鱼的基因与我们的基因基本相同，但它们再生心脏的能力取决于它们在严重受伤后如何控制这些基因。”
“那其他伤害模型呢?” 拥有奇迹。“这对创伤性脑损伤或脊髓损伤有效吗?”
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