Nature:線粒體基因缺陷改造新策略

2020-12-06 生物谷

 

2015年8月14日/生物谷BIOON/--線粒體是細胞的能量工廠。通過氧化磷酸化，能量物質在線粒體內被分解為二氧化碳和水，並生成高能磷酸類物質，驅動著整個細胞的持續生存。線粒體中有13種氧化相關的酶都是由線粒體自身攜帶的DNA轉錄翻譯得到的，其他的則是由細胞核中的DNA轉錄翻譯得到。針對線粒體DNA（mtDNA）的突變往往會引起線粒體酶的功能異常，進一步導致細胞能量供應出現障礙，體現在生物整體上則是，線粒體缺陷相關的疾病。比如在人類中，這些疾病往往會導致多種系統的功能異常，例如發育遲緩、神經系統問題、肌肉協調性差等等。使問題更麻煩的是，這些線粒體疾病往往並沒有很好的治療策略。

一項由美國加州基因表達實驗室的Juan Carlos Izpisua Belmonte領導的課題組在《Nature》發文稱，線粒體mtDNA突變可以通過遺傳方式獲得的方式來糾正，正常代謝功能可以利用通過多能幹細胞來恢復。利用線粒體DNA突變患者皮膚中的成纖維細胞，通過細胞因子介導的重編程(iPS 細胞)和體細胞核轉移(SCNT)這兩種方法，科學家可以獲得相關的多能幹細胞，最後可以恢復這些細胞線粒體的正常代謝功能。

在獲得來自線粒體DNA突變疾病患者的皮膚樣品後，研究人員們使用不同的方法試圖「修復」這些皮膚細胞中的線粒體，並使這些細胞得到多能幹細胞，未來可能可以利用這些細胞作為線粒體疾病的治療工具。對於異質性突變引起的最廣泛的線粒體疾病類型，通過利用這些攜帶突變的細胞，產生多個株系的誘導多能幹細胞（iPS），能夠得到野生無線粒體突變的單克隆細胞系。使用體細胞核轉移技術可以通過替換細胞核，使得來自線粒體突變細胞的細胞核獲得無突變線粒體的細胞質環境，從而可以解決同質性線粒體突變的細胞的「修復」，並可以獲得無線粒體突變的多能幹細胞株系，這個株系的細胞具有與胚胎細胞類似的轉錄、表觀遺傳環境。儘管這個雜合的細胞線粒體和細胞核來自不同的個體，但是似乎它們能夠協調完成正常的代謝功能，這可能意味著細胞核-線粒體相關的代謝有很高的保守性。

這個研究利用兩種不同的方法，使用來自患者的細胞，最終可以得到無突變的多能幹細胞或誘導多能幹細胞。利用這些細胞株系，可能最終能夠改變線粒體突變疾病的治療現狀。這種針對攜帶線粒體突變細胞，得到多能幹細胞或者誘導多能幹細胞，可能可以用於針對下一代的基因改造，使得女性患者的後代免遭這種線粒體突變帶來的疾病的困擾。（生物谷Bioon.com）

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doi:10.1038/nature14546

PMC:

PMID:

Metabolic rescue in pluripotent cells from patients with mtDNA disease

Mitochondria have a major role in energy production via oxidative phosphorylation1, which is dependent on the expression of critical genes encoded by mitochondrial (mt)DNA. Mutations in mtDNA can cause fatal or severely debilitating disorders with limited treatment options2. Clinical manifestations vary based on mutation type and heteroplasmy (that is, the relative levels of mutant and wild-type mtDNA within each cell)3, 4. Here we generated genetically corrected pluripotent stem cells (PSCs) from patients with mtDNA disease. Multiple induced pluripotent stem (iPS) cell lines were derived from patients with common heteroplasmic mutations including 3243A>G, causing mitochondrial encephalomyopathy and stroke-like episodes (MELAS)5, and 8993T>G and 13513G>A, implicated in Leigh syndrome. Isogenic MELAS and Leigh syndrome iPS cell lines were generated containing exclusively wild-type or mutant mtDNA through spontaneous segregation of heteroplasmic mtDNA in proliferating fibroblasts. Furthermore, somatic cell nuclear transfer (SCNT) enabled replacement of mutant mtDNA from homoplasmic 8993T>G fibroblasts to generate corrected Leigh-NT1 PSCs. Although Leigh-NT1 PSCs contained donor oocyte wild-type mtDNA (human haplotype D4a) that differed from Leigh syndrome patient haplotype (F1a) at a total of 47 nucleotide sites, Leigh-NT1 cells displayed transcriptomic profiles similar to those in embryo-derived PSCs carrying wild-type mtDNA, indicative of normal nuclear-to-mitochondrial interactions. Moreover, genetically rescued patient PSCs displayed normal metabolic function compared to impaired oxygen consumption and ATP production observed in mutant cells. We conclude that both reprogramming approaches offer complementary strategies for derivation of PSCs containing exclusively wild-type mtDNA, through spontaneous segregation of heteroplasmic mtDNA in individual iPS cell lines or mitochondrial replacement by SCNT in homoplasmic mtDNA-based disease.

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