一个“迷你基因”治疗罕见疾病导致失明和失聪

亚瑟综合征1型f是一个罕见但严重的遗传疾病导致耳聋,缺乏平衡,和进步的失明。

现在,哈佛医学院的研究员领导的研究小组,马萨诸塞州的眼睛和耳朵,俄亥俄州立大学取得了一个重要的第一步发展疾病的基因治疗。

在老鼠身上进行的研究,是描述4月26日在自然通讯。

科学家们设计了一个“迷你基因”——缩短版本基因取代基因突变在开启1 f。突变呈现在内耳毛细胞无法生产蛋白质参与声音传播的关键。在老鼠身上,迷你基因增加丢失的蛋白质的生产,使声音和恢复听觉毛细胞。

因为视力丧失开启1 f是一个稍微不同的形式相同的蛋白质,研究人员说,同样的方法可以用于防止失明。

“引导患者1 f与生俱来深刻的听力损失和进步的视力丧失,而且到目前为止,我们已经能够提供解决这些家庭很少,”文章的第二作者说 阿图尔Indzhykulian ,HMS头颈外科助理教授质量眼睛和耳朵。

研究人员计划继续测试微型基因在其他动物模型,最后,希望在人类身上测试。

“这完全是毁灭性的耳聋出生然后失去视力,所以我们希望这个迷你基因最终会变成对治疗这种疾病,”文章的第二作者说大卫·科里转化医学教授,曾在HMS Blavatnik学院。

将专业知识应用到一个新问题

开创综合症患儿通常出生完全失聪或听力受损严重,缺乏平衡,失去视力随着时间的推移视网膜恶化。失明常发生在成年。

这些问题由于突变干扰一种叫做protocadherin-15的蛋白质的生产,不同形式的耳朵和眼睛,需要细胞的听觉和视觉系统正常运行。

科里实验室的研究人员长期以来一直感兴趣protocadherin-15在内耳的作用。具体地说,他们想知道蛋白质有助于感官受体称为毛细胞的耳朵从环境振动转换成电子信号,大脑将其理解为声音。

科里的团队之前算出protocadherin-15伙伴与另一个蛋白质,钙粘着蛋白23日在毛细胞创建细丝,身体拉开束振动离子通道,允许电流进入细胞。在缺乏这种蛋白质的情况下,电流不能进入毛细胞,从振动电不会发生转换,和大脑不能检测到声音。

通过这个工作,科里设计感兴趣基因治疗带来1 f。疗法将介绍DNA编码protocadherin-15进入细胞,使细胞开始制造蛋白质。

然而,由于protocadherin-15太大,其DNA太大对于典型的病毒性胶囊用于运输遗传物质进入细胞。

所以研究者们决定去探索另一种选择:缩短DNA来创建一个迷你编码功能蛋白基因仍未足够小,适合在病毒囊。

一个基因变成一个迷你的基因

第一步涉及煞费苦心地映射所有25000个原子的外部结构内耳protocadherin-15 -一个过程由文章的第二作者马科斯索托马约尔、前研究员HMS和现在的化学和生物化学副教授俄亥俄州立大学。

使用x射线晶体学和低温电子显微镜索托马约尔发现,蛋白质是由原子排列成看似11链接在一个链。

protocadherin-15的索托马约尔了八个不同的版本,每个都有不同的链接缺失,使蛋白质小。研究人员然后反向工程截短蛋白结构到DNA蓝图,他们可以测试微型基因。

我们所获得知识通过研究protocadherin-15极度详细的结构允许我们更快速地设计较短的版本的蛋白质基因治疗,“索托马约尔解释道。

Indzhykulian测试了8个迷你基因内耳细胞在培养皿中。他证实,截断版本的protocadherin-15由mini-gene DNA并结合钙粘着蛋白23日毛细胞的蛋白质的伴侣。

从那时起,研究人员选择了三个迷你基因足够小,适合在病毒囊。

第一作者奥斯塔Ivanchenko,教练在神经生物学HMS广泛测试的三个迷你基因在转基因老鼠的耳朵停止生产protocadherin-15。

最终,只有一个迷你基因工作。

基因成功地促使毛细胞protocadherin-15的迷你版本,必将cadherin-23和所需的纤维形成离子通道开放。头发细胞成功地将振动转换为电信号。

老鼠的听觉测试获得了迷你基因显示他们的大脑能接收声音信号来自他们的耳朵——以前耳聋动物能听到。

“我们都是惊喜,”科里说。“我们认为需要多年的优化和尝试和调整蛋白质结构,但这一个版本几乎工作。”

“结果是激动人心的,”Ivanchenko补充道。“最令人兴奋的方面我们的发现是,老鼠已经完全聋现在可以听到几乎正常老鼠。”

从耳朵到眼睛

而迷你成功治疗耳聋基因的小鼠模型开创1 f,研究者更感兴趣的是其潜在的治疗失明的综合症。

自儿童开启1 f出生极度失聪的人,可能缺乏在内耳毛细胞,不太可能,迷你基因可以提高他们的听力,作者说。此外,许多这样的孩子们能够接受人工耳蜗植入手术,这让他们能够听到。

失明是一个不同的故事,研究人员指出,因为儿童开启1 f出生与正常视力。如果迷你基因可以产生protocadherin-15失踪在视网膜上的形式,它可以阻止视力丧失,他们说。

为什么首先测试迷你鼠标内耳中的基因如果治疗视力丧失的主要目标?

主要是由于物流原因,研究人员说。缺乏protocadherin-15只造成轻微视力丧失在小鼠和进展缓慢。这意味着它需要数年才能测试微型基因在小鼠模型,并且很难告诉他们如何工作。相比之下,老鼠出生完全失聪,所以研究人员有明确的结果在数周内。

“整个项目旨在研究耳朵,耳后可以工作的东西应用到眼睛,作为一个信条,”科里说。“虽然最好的测试系统是鼠标内耳,眼前的目标是治疗失明。”

现在科里实验室测试微型基因在斑马鱼的眼睛,一个更好的模型,因为这些鱼的经验比老鼠更严重的和快速的视力丧失,当protocadherin-15不是在视网膜上产生的。

如果迷你基因在斑马鱼视网膜工作,研究人员将在灵长类动物和测试的方法,最后,在人类。

参考:Ivanchenko MV,海瑟薇DM,克莱因AJ, et al . Mini-PCDH15基因治疗救助听证会上亚瑟综合征1型f的小鼠模型。Nat Commun。2023;14 (1):2400。doi:10.1038 / s41467 - 023 - 38038 - y

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