Nat Metab | 全基因组CRISPR筛选发现I型糖尿病新的治疗靶点—RNLS

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责编丨兮

I型糖尿病是一种自身免疫疾病,多在青少年时期发病,所以又叫做青少年糖尿病。I型糖尿病发病的原因是自身的一些T细胞开始识别和攻击自身的胰岛细胞,最终几乎所有的胰岛细胞都被杀死,身体也就不能分泌胰岛素来调节血糖,从而造成血糖上升和糖尿病。现在I型糖尿病还没有治愈的方法,病人只能依靠注射胰岛素来调控血糖,但是注射胰岛素远远不如身体的胰岛细胞在调控血糖方面做得有效率和精确,所以并不能防止糖尿病并发症的发生,比如心脏、肾脏、眼睛等器官上的问题。

治愈I型糖尿病必须要从两个方面入手,两者缺一不可:首先,要设法让病人重新拥有胰岛细胞,这方面的研究方向包括促进胰岛细胞再生或者用干细胞分化胰岛细胞然后移植。其中干细胞分化的方法最近有很大进展,世界上有很多实验室都可以用病人的iPS细胞逐步分化成胰岛细胞,它们可以受葡萄糖调控来分泌胰岛素。这些胰岛细胞就可以被移植回病人体内来调控血糖。但是最大的一个挑战就是如何防止自身免疫把再生的或者是移植的胰岛细胞再次杀死,所以治愈I型糖尿病的第二个方面就是保护胰岛细胞不受自身免疫攻击。一种研究方向是找出自身免疫细胞,然后想办法除掉它们,或者让它们不被激活,从而达到保护胰岛细胞的目的;另一种方向是用一种小的胶囊(capsule)把移植的胰岛细胞包起来,或者用基因编辑的方法让自身免疫细胞不能识别和杀死胰岛细胞。

然而,基因编辑的挑战是编辑哪个或哪些基因可以达到保护胰岛细胞的效果,很多研究者基因敲除MHC-I和MHC-II, 放入PD-L1或者CTLA4等转基因,这样做会造出来一种完全不被免疫监控的胰岛细胞,一旦这些基因编辑的胰岛细胞癌变或被病毒感染,它们就会完全不受免疫系统控制,风险很大。

2020年7月27日,哈佛大学医学院Joslin糖尿病中心伊鹏Stephan Kissler合作在Nature Metabolism杂志上发表文章Genome-scale in vivo CRISPR screen identifies RNLS as a target for beta cell protection in type 1 diabetes利用全基因组CRISPR筛选发现RNLS基因突变可保护I型糖尿病中的胰岛细胞不受自身免疫系统识别和攻击,同时发现FDA已批准的药物Pargyline可通过与RNLS结合延缓或者阻止I型糖尿病小鼠模型发病。

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研究人员认为最理想的情形是,如果能基因修饰胰岛细胞,让它只是不被自身免疫识别和攻击,但是正常的免疫反应仍然存在。起初,作者们完全不确定这样有没有可能,而且不知道什么基因可以编辑,从而实现这一目的。因此,作者们做了一次很大胆的尝试,用CRISPR screen的方法把全基因组所有的基因都突变一下,让自身免疫自己告诉我们哪些基因突变可以保护胰岛细胞。

在该研究中,作者们使用了一种I型糖尿病的小鼠模型—NOD小鼠,在NOD小鼠胰岛细胞系NIT-1里用CRISPR库诱导全基因组的基因突变,然后把这些胰岛细胞皮下植入到被诱导出I型糖尿病的NOD-SCID小鼠里。正常的胰岛细胞会在两个星期之内被自身免疫完全杀死,但是当植入这些突变的胰岛细胞两个月之后,竟然还有一些胰岛细胞存活。随后,研究人员利用高通量测序找出了在这些胰岛细胞中哪些基因被突变了,发现有10个基因的突变可以保护胰岛细胞不被自身免疫杀死。这些基因从未被报道与免疫有关,其中一个基因Renalase(RNLS)引起了研究人员的注意,因为之前有全基因组关联分析(GWAS)表明RNLS跟人的I型糖尿病相关,尤其是跟I型糖尿病的风险和得病时间相关,但是其中的分子机制却不甚清楚。

研究人员使用了很多不同的方法和I型糖尿病模型证明RNLS突变的确可以保护胰岛细胞不受自身免疫攻击,但是却不能保护它们受所有其它的免疫攻击,比如说同种排斥(Allorejection)。这一结果说明自身免疫和其它免疫反应确实是可以分开的,而且可以通过修饰一个基因做到胰岛细胞的自身免疫保护,但是保持其它的免疫反应。

RNLS突变是怎样做到保护胰岛细胞不受自身免疫攻击的还不是完全清楚,只知道RNLS突变胰岛细胞不会被CD8+ T细胞识别和攻击,而且它们在内质网应激(ER stress )被诱导的情况下也不会发生细胞凋亡。最新的一些I型糖尿病的研究表明胰岛细胞在内质网应激的情况下会产生很多新的自身抗原(MHC-I epitope),比如说修饰的抗原和由不同蛋白拼接产生的抗原(hybrid peptide epitope)。研究人员猜想RNLS突变的胰岛细胞对内质网应激有保护作用,从而不会产生可以引发自身免疫的抗原,所以保护了RNLS突变胰岛细胞不被自身免疫攻击。

文章的作者之一哈佛大学的Doug Melton教授通过构建RNLS敲除的人iPS细胞和胚胎干细胞,然后把它分化成胰岛细胞。这些RNLS敲除的人胰岛细胞跟小鼠的RNLS突变胰岛细胞一样对不会被内质网应激引起细胞凋亡,这说明RNLS在人的细胞和小鼠细胞里面的功能可能是保守的。

RNLS是一个氧化酶,它的蛋白结构已经被解出来了。伊鹏团队跟麻省大学医学院的Celia Schiffer实验室合作,寻找可以抑制它的酶的活性小分子。通过计算机模拟建模的方法找到了三个FDA已经批准的药物,有可能可以跟RNLS结合。随后,在I型糖尿病的小鼠模型里试验了这三个药物,然后发现其中一个药物Pargyline可以像RNLS基因敲除一样可以保护胰岛细胞不受自身免疫攻击,而且可以让高血糖的I型糖尿病小鼠变成正常血糖。Pargyline还可以延缓或者阻止I型糖尿病小鼠模型发病。

这一研究为I型糖尿病研究提供了一个新的靶点。将来有可能通过基因编辑胰岛细胞的RNLS,移植到I型糖尿病病人体内,也可以设计或筛选药物来抑制RNLS活性从而治疗早期的I型糖尿病病人。

通讯作者伊鹏提到:“我们发现的Pargyline只是一个开始,我们将来可以通过修饰Pargyline从而找到更加特异更加有效的药物。另外,Pargyline是一个FDA已经批准的药物,它的安全性已经得到肯定,我们下一步计划进行小规模的二期临床实验来评估Pargyline在I型糖尿病病人中的疗效。

据悉,这篇文章的共同一作是Erica Cai,Yuki IshikawaWei Zhang, 共同通讯作者是Stephan KisslerPeng Yi(伊鹏)

https://doi.org/10.1038/s42255-020-0254-1

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