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哈佛大学科学家艾米·韦杰斯(Amy Wagers)领导的一项新研究表明,基因编辑机制可以直接传送到干细胞所在的地方,而不是在培养皿中。发表在《细胞报告》(Cell Reports)上的这一发现,对生物技术研究和遗传疾病疗法的发展具有重大意义。

“如果你想改变一个基因组来纠正致病基因突变,你必须改变相关的干细胞,”弗斯特家族干细胞和再生生物学教授韦杰斯(Wagers)说。“如果你不改变干细胞,无论你修复什么细胞,最终都可能很快被病变细胞取代。如果你真的修复了干细胞,它们将创造出健康的细胞,最终可以取代患病的细胞。”

但是修复干细胞比听起来要难。按照目前的工作方式,干细胞必须被提取出来,保持存活和健康,进行基因改造,然后放回病人体内。这个过程对细胞是破坏性的,细胞最终可能会被排斥或不能移植回病人体内。

每种类型的干细胞都生活在自己的“生态位”中,在骨髓等难以触及的区域受到良好的保护。韦杰斯说:“当你把干细胞从身体中取出来,你把它们从滋养和维持它们的非常复杂的环境中取出来,它们就会受到某种冲击。”“分离细胞会改变它们。移植细胞会改变它们。不需要改变基因就能保持细胞之间的调节作用,这正是我们想做的。”

运输由病毒

博彩小组使用腺相关病毒(AAV)作为运输工具,这种病毒可以感染人类(和老鼠)细胞,但不会引起疾病。Wagers和她的同事在对杜氏肌营养不良小鼠进行早期研究的基础上,创建了各种各样的AAV包,将基因编辑货物运送到几种不同类型的皮肤、血液、肌肉干细胞和祖细胞中。

这项研究的第一作者之一、威格斯实验室的博士后吉尔·戈尔茨坦说:“这是几家专门研究不同器官的实验室之间真正的合作。”“我们在自己感兴趣的器官上设置实验,分析它们,比较笔记,并在一种科学装配线上进行调整。我们没有人能独自完成这项工作,这需要很多人的努力,团队合作让它变得非常有趣。”

为了测试他们的AAV复合体是否能够成功传递,研究人员使用老鼠作为所谓的报告系统,通过一个“报告”基因,通常是沉默的,但可以通过基因编辑打开。当报告基因被激活时,细胞变成明亮的荧光红色。

高达60%有效

研究人员发现,在骨骼肌中,多达60%的干细胞变成了荧光红色。在产生不同类型皮肤细胞的细胞中,多达27%的细胞变成红色。多达38%的骨髓干细胞(造血干细胞)发生了变化。这可能看起来很低,但血液循环如此之快,在某些情况下,甚至一个健康的干细胞就足以挽救一个缺陷。

“到目前为止,提供健康的基因干细胞的概念使用AAV没有生命系统实际,因为这些细胞分裂得如此之快,所以交付的基因将被稀释的细胞迅速,”谢里夫Tabebordbar说,校友的哈佛大学干细胞与再生生物学现在Broad研究所博士后研究员。“我们的研究表明,我们可以在干细胞的正常解剖生态位中永久地修改它们的基因组,从而改变它们的后代。”有很大的潜力将这种方法向前推进,并为不同形式的遗传疾病开发更持久的治疗方法。这包括不同形式的肌肉营养不良,其中组织再生是如此重要的因素。”

“我们从赌注实验室观察了这些aav转导小鼠的皮肤,很高兴看到许多真皮细胞也被成功编辑,”Alvin和Esta Star干细胞和再生生物学副教授hya – chieh Hsu说。这些细胞包括产生真皮脂肪细胞的细胞,以及帮助调节皮肤中其他干细胞的细胞。我们一直都需要一种工具,可以让我们在体内快速操纵真皮细胞——所以对我们来说,这就像美梦成真一样。”

“事情可能会开始非常迅速地发展。”

将基因疗法直接导入活体系统一直是生物技术公司开发治疗脊髓性肌肉萎缩等疾病的障碍。

“出于两个原因,这对社区来说是非常重要的资源,”韦杰斯说。“首先,它改变了我们研究人体干细胞的方式。AAV方法使研究人员能够比以往更快地研究不同基因对干细胞在其自然环境中的重要性。因为这个传递系统是如此的强大,它也可以用来靶向影响许多不同组织的基因。

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“其次,这是开发有效基因疗法的重要一步。我们开发的方法通过从身体中取出干细胞来解决所有的问题,并允许你永久地纠正基因组。AAVs已经被用于临床基因治疗,所以这个领域的进展可能会很快。”

本研究支持的奖励和资助哈佛大学(明星家庭挑战奖,院长计划基金,和哈佛干细胞研究所血液计划试点奖),纽约干细胞基金会,美国国立卫生研究院,哈佛干细胞研究所青年教师奖,Pew慈善信托基金,史密斯家族基金会漫游奖和美国癌症协会等。

来源文章:Goldstein J.M.,Tabebordbar M。等人(2019)原位修饰组织干细胞和祖细胞基因组。细胞报告(正在出版)。

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