科学家利用基因编辑和基于人类细胞的模型，揭示了多囊肾病囊肿形成遗传学

子科生物报道：研究人员已经证明，多囊肾病(PKD)中随着时间的推移而形成的危险囊肿，可以通过一个缺陷基因的单个正常拷贝来预防。这意味着科学家有可能有一天定制一种基因疗法来治疗这种疾病。他们还发现，一种被称为糖苷的药物可以避开PKD中缺陷基因的影响。这些发现可能为治疗PKD的新治疗方法奠定基础，PKD影响着全世界数百万人。这项研究由美国国立卫生研究院(NIH)部分资助，发表在《细胞干细胞》杂志上。 

科学家们使用基因编辑和被称为类器官的3-D人类细胞模型来研究PKD的遗传学。PKD是一种危及生命的遗传性肾脏疾病，其中一种基因缺陷会导致肾脏中的微管像水球一样膨胀，在几十年的时间里形成囊肿。囊肿会挤占健康组织，导致肾功能问题和肾衰竭。大多数患有PKD的人出生时细胞中有一个健康的基因拷贝和一个有缺陷的基因拷贝。 

“人类PKD一直很难研究，因为囊肿需要几年甚至几十年的时间才能形成，”西雅图华盛顿大学的资深研究作者本杰明弗里德曼博士说。“这个新平台最终为我们提供了一个研究这种疾病遗传学的模型，并希望开始为数百万受这种疾病影响的人提供答案。”

为了更好地理解PKD中囊肿形成的遗传原因，这一研究组试图确定具有一个正常基因拷贝和一个缺陷拷贝的3-D人类迷你肾类器官是否会形成囊肿。他们从诱导多能干细胞中培育出能够模仿器官结构和功能特征的类器官，这种干细胞可以变成体内任何一种细胞。 

为了生成含有临床相关突变的类器官，研究人员使用了一种称为碱基编辑的基因编辑技术，在人类干细胞中PKD1和PKD2基因的某些位置产生突变。他们集中研究了这些基因中的四种突变，已知这些突变通过破坏多囊蛋白的产生而导致PKD。两种类型的蛋白——多囊蛋白-1和多囊蛋白-2的破坏与最严重的PKD形式有关。 

然后，他们比较了类器官中有两个基因复制突变的细胞和只有一个基因复制突变的细胞。在某些情况下，他们还使用基因编辑来纠正两个基因拷贝中的一个的突变，以了解这是如何影响囊肿形成的。他们发现，有两个缺陷基因拷贝的类器官总是产生囊肿，而那些携带一个好的基因拷贝和一个坏的基因拷贝的类器官则不会形成囊肿。 

弗里德曼说:“我们不知道是否只有一个基因拷贝中的基因突变足以引起PKD，或者是否有第二个因素，如另一个突变或急性肾损伤是必要的。”“目前还不清楚这样的触发因素会是什么样子，到目前为止，我们还没有一个很好的人类PKD实验模型。” 

根据弗里德曼的说法，有一个健康基因拷贝的细胞只产生正常数量的一半的多囊蛋白1或多囊蛋白2，但这足以防止囊肿的发展。他补充说，研究结果表明，需要第二次触发，防止第二次撞击可能能够预防这种疾病。 

类器官模型也提供了第一个机会来研究一类被称为真核核糖体选择性糖苷的药物对PKD囊肿形成的有效性。

“这些化合物只对单碱基对突变起作用，这在PKD患者中很常见。这不会对任何小鼠模型起作用，也不会在我们以前的PKD类器官模型中起作用。我们需要在实验模型中创造这种类型的突变来测试药物。” 

弗里德曼的研究小组发现，这些药物可以恢复基因制造多囊素的能力，将多囊素-1的水平提高到50%，防止囊肿的形成。即使在囊肿形成后，添加药物也会减缓囊肿的生长。 

弗里德曼建议，下一步将是在患者身上测试现有的糖苷类药物。研究人员还可以探索基因疗法作为PKD的治疗方法。