通过单基因插入,失明小鼠重获光明

2020-12-01 105基因相关

这是令人惊讶的简单。通过单基因插入,失明小鼠重获光明。加利福尼亚大学伯克利分校的科学家们将绿光受体的基因插入到失明小鼠的眼睛里,一个月后,它们就能像没有视力问题的小鼠一样轻松地绕过障碍物。它们能够看到运动、亮度变化超过千倍的范围,以及iPad上足以分辨字母的精细细节。

通过单基因插入,失明小鼠重获光明

研究人员表示,在短短三年内,这种基因疗法--通过灭活的病毒传递--就可以在因视网膜变性而失去视力的人类身上进行尝试,理想的情况是让他们有足够的视力来移动,并有可能恢复他们阅读或观看视频的能力。

"你会把这种病毒注射到一个人的眼睛里,几个月后,他们就会看到一些东西,"加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授、海伦-威尔斯神经科学研究所主任埃胡德-伊萨科夫说。"对于视网膜的神经退行性疾病,通常人们试图做的是阻止或减缓进一步的退化。但在几个月内就能恢复图像的东西--想想都觉得不可思议。"

全球约有1.7亿人患有与年龄相关的黄斑变性,每10个55岁以上的人中就有1个受到这种疾病的侵袭,而全球有170万人患有最常见的遗传性失明形式--视网膜色素变性,这种疾病通常会让人在40岁之前失明。

"我有朋友没有光感,他们的生活方式让人心痛,"加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授约翰-弗兰纳里说,他是视光学院的教师。"他们必须考虑视力正常的人认为理所当然的事情。例如,每次去酒店,每个房间的布局都有些不同,他们需要有人带他们在房间里走一圈,同时在脑海中建立一个3D地图。日常用品,比如低矮的茶几,都有可能成为摔倒的危险。严重致残性视力下降的人疾病负担巨大,他们可能是这种疗法的第一批候选人。"

目前,这类患者的选择仅限于一种电子眼植入物,挂在一副眼镜上的摄像机上--这是一种笨拙、侵入性和昂贵的设置,在视网膜上产生的图像,目前只相当于几百个像素。正常、清晰的视觉涉及数百万像素。

纠正导致视网膜变性的基因缺陷也不是一件简单的事,因为仅导致视网膜色素变性的基因突变就有250多种。其中约90%的基因突变会杀死视网膜的感光细胞--对暗光敏感的杆状细胞和对日光颜色感知敏感的锥状细胞。但视网膜变性通常会放过视网膜细胞的其他层,包括双极和视网膜神经节细胞,它们可以保持健康,虽然对光不敏感,在人们完全失明后几十年。

在小鼠的试验中,通过单基因插入,失明小鼠重获光明。加州大学伯克利分校的团队成功地使90%的神经节细胞对光敏感。

伊萨科夫、弗兰纳里和他们的加州大学伯克利分校的同事将在3月15日在线发表在《自然通讯》上的一篇文章中报告他们的成功。

你20年前就可以这样做了

为了逆转这些小鼠的失明,研究人员设计了一种针对视网膜神经节细胞的病毒,并将一种光敏感受体--绿色(中波)锥体卵磷脂的基因加载其中。正常情况下,这种卵磷脂只有锥体感光细胞才会表达,并使其对绿黄光敏感。当把病毒注射到眼睛里时,病毒把基因带入了平时对光不敏感的神经节细胞中,使它们对光敏感,能够向大脑发出信号,被解释为视觉。

"在我们能够测试小鼠的限度内,如果没有特殊的设备,你无法分辨经过光遗传学处理的小鼠和正常小鼠的行为,"弗兰纳里说。"这在病人身上转化为什么还有待观察。"

在小鼠中,研究人员能够将卵磷脂输送到视网膜中的大多数神经节细胞。要治疗人类,他们需要注射更多的病毒颗粒,因为人眼含有的神经节细胞是小鼠眼睛的数千倍。但加州大学伯克利分校的团队已经开发出了增强病毒传递的手段,并希望将新的光传感器插入到同样高比例的神经节细胞中,这个数量相当于相机中非常高的像素数。

伊萨科夫和弗兰纳里在尝试了十多年更复杂的方案后,找到了简单的解决办法,包括将基因工程神经递质受体和光敏感化学开关的组合插入到存活的视网膜细胞中。这些工作,但没有达到正常视觉的灵敏度。来自其他地方测试的微生物的Opsins也有较低的灵敏度,需要使用光放大镜。

为了捕捉自然视觉的高灵敏度,Isacoff和Flannery转而研究光感受器细胞的光感受器卵磷脂。利用自然感染神经节细胞的腺相关病毒(AAV),Flannery和Isacoff成功地将视网膜卵磷脂的基因传递到神经节细胞的基因组中。之前失明的小鼠获得了持续一生的视力。

"这个系统的工作真的非常非常令人满意,部分原因是它也非常简单,"Isacoff说。"具有讽刺意味的是,你在20年前就可以做到这一点。"

Isacoff和Flannery正在筹集资金,以便在三年内将这种基因疗法带入人体试验。类似的AAV递送系统已经被FDA批准用于患有视网膜退化性疾病且没有医疗替代方案的人的眼部疾病。

这是不可能的

根据Flannery和Isacoff的说法,视觉领域的大多数人都会质疑opsins是否能在其专门的杆状和锥状感光细胞之外发挥作用。光感受器的表面装饰着卵磷脂--杆状细胞中的红光素和锥状细胞中的红、绿、蓝三色卵磷脂--它们被嵌入一个复杂的分子机器中。一个分子中继器--G-蛋白耦合受体信号级联--有效地放大了信号,以至于我们能够检测到单光子。酶系统一旦检测到光子,就会给卵蛋白充电,成为 "漂白"。反馈调节使系统适应非常不同的背景亮度。而一个专门的离子通道会产生一个强效的电压信号。如果不移植这整个系统,我们有理由怀疑opsin无法工作。

但专门研究神经系统中G蛋白偶联受体的伊萨科夫知道,所有细胞中都存在许多这样的部分。他怀疑,一种卵磷脂会自动连接到视网膜神经节细胞的信号系统。他和弗兰纳里一起最初尝试了罗丹霉素,它比锥体卵磷脂对光更敏感。

令他们欣喜的是,当将罗多普素引入到小鼠的神经节细胞中时,这些小鼠的杆状和锥状细胞已经完全退化,因此失明,这些动物重新获得了分辨光线的能力--甚至是微弱的室内光线。但事实证明,罗多素的速度太慢,在图像和物体识别方面失败了。

于是,他们尝试了绿锥蛋白酶,它的反应速度比罗多肽快10倍。值得注意的是,小鼠能够区分平行线与水平线、间距较近的线与间距较宽的线(标准的人类敏锐度任务)、移动线与静止线。恢复后的视力是如此敏感,以至于可以用iPad代替更亮的LED来进行视觉显示。

"这有力地将信息带回家,"Isacoff说。"毕竟,如果盲人能够重新获得阅读标准电脑显示器、通过视频交流、看电影的能力,那将是多么美妙的事情。"

这些成功让伊萨科夫和弗兰纳里想再往前走一步,看看动物是否能在恢复视力后在这个世界上航行。引人注目的是,在这里,绿锥卵磷脂也获得了成功。已经失明的小鼠重新获得了执行它们最自然的行为之一的能力:识别和探索三维物体。

然后,他们提出了一个问题:"如果一个恢复视力的人到户外进入更明亮的光线会发生什么?他们会不会被光照瞎?" 伊萨科夫说,这里出现了该系统的另一个引人注目的特征。绿锥体卵磷脂的信号通路会适应。之前失明的动物适应了亮度的变化,可以和视力动物一样完成任务。这种适应在大约一千倍的范围内起作用--基本上,这是室内和室外平均照明的差别。

"当每个人都说这永远不会奏效,说你疯了,通常这意味着你发现了什么,"弗兰纳里说。事实上,这个东西相当于第一个利用液晶电脑屏幕成功恢复图案视觉,第一个适应环境光变化,第一个恢复自然物体视觉。

加州大学伯克利分校的团队现在正在努力测试这个主题的变体,可以恢复色彩视觉,进一步提高敏锐度和适应性。

引用

University of California - Berkeley. "With single gene insertion, blind mice regain sight: Opsins make 'blind' cells light-sensitive; potential human treatment within three years." ScienceDaily. ScienceDaily, 15 March 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190315095808.htm.

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