研究小组在罕见遗传疾病的治疗上迈出了重要一步

Usher综合征1F型是一种罕见但严重的遗传性疾病，会导致耳聋、缺乏平衡和进行性失明。

现在，由哈佛医学院、马萨诸塞州眼耳和俄亥俄州立大学的研究人员领导的一个研究小组，在开发一种新型人工耳蜗的过程中，迈出了重要的第一步基因治疗治疗疾病。

这项在老鼠身上进行的研究发表在4月26日的《科学》杂志上自然通讯。

科学家们设计了一种“迷你基因”——一种基因的缩短版本——来取代在Usher 1F中发生突变的基因。突变呈现毛细胞内耳不能发出声音的内耳关键蛋白参与声音传播的在老鼠身上，这种迷你基因增加了缺失蛋白质的产生，使毛细胞能够感知声音并恢复听力。

因为视力丧失研究人员表示，在Usher 1F中，同一蛋白质的形式略有不同，同样的方法可能有助于预防失明。

“Usher 1F患者生来就有严重的听力损失和进行性视力丧失，到目前为止，我们能够为这些家庭提供的解决方案很少，”共同资深作者Artur Indzhykulian说，他是Mass Eye and Ear的耳鼻喉头颈外科助理教授。

研究人员计划继续在其他动物模型中测试这种迷你基因，并最终希望在人类身上进行测试。

HMS Blavatnik研究所Bertarelli转化医学教授David Corey说:“天生失聪，然后失去视力，这是完全毁灭性的，所以我们希望这种迷你基因最终能被用于治疗这种疾病。”

将专业知识应用于新问题

患有Usher综合征的儿童通常出生时完全失聪或听力严重受损，缺乏平衡，随着视网膜的恶化而逐渐丧失视力。失明通常发生在成年期。

这些问题的出现是由于一种突变干扰了一种叫做原钙粘蛋白-15的蛋白质的产生，这种蛋白质在耳朵和眼睛中的形式略有不同，是听觉和视觉系统细胞正常运作所必需的。

科里实验室的研究人员长期以来一直对原钙粘蛋白-15在内耳中的作用感兴趣。具体来说，他们想知道这种蛋白质是如何帮助耳朵里被称为毛细胞的感觉受体将来自环境的振动转化为电信号的，而大脑将其解读为声音。

科里的研究小组之前发现了原钙粘蛋白15是如何与毛细胞中的另一种蛋白质钙粘蛋白23结合在一起，形成细丝的，当这些细丝束振动时，细丝会物理地打开离子通道，从而允许电流进入细胞。如果没有这种蛋白质，电流就不能进入毛细胞，从振动到电流的转换就不会发生，大脑就不能探测到声音。

通过这项工作，科里对设计一种针对Usher 1F的基因疗法产生了兴趣。该疗法将编码原钙粘蛋白-15的DNA引入细胞，使细胞开始制造这种蛋白质。

然而，由于原钙粘蛋白-15太大了，它的DNA对于用于将遗传物质运输到细胞中的典型病毒胶囊来说太大了。因此，研究人员决定探索另一种选择:缩短DNA，创造一种微型基因，这种基因仍然编码功能性蛋白质，但足够小，可以装入病毒胶囊。

一个基因变成了一个迷你基因

第一步是费力地绘制内耳原钙粘蛋白-15外部结构的所有25000个原子，这一过程由共同资深作者马科斯·索托马约尔完成，他曾是HMS研究员，现在是俄亥俄州立大学化学和生物化学副教授。

通过x射线晶体学和低温电子显微镜的结合，索托马约尔发现这种蛋白质是由排列成11个链的原子组成的。

索托马约尔制造了8种不同版本的原钙粘蛋白-15，每一种都缺失了不同的连接，以使蛋白质更小。然后，研究人员将截断的蛋白质结构反向工程成DNA蓝图，他们可以作为迷你基因进行测试。

索托马约尔解释说:“我们通过细致地研究原钙粘蛋白-15的结构所获得的知识，使我们能够更快地设计出用于基因治疗的更短版本的蛋白质。”

Indzhykulian在培养皿中测试了内耳细胞上的8个迷你基因。他证实，由迷你基因DNA制成的原钙粘蛋白15的截短版本确实与它在毛细胞中的蛋白质伙伴钙粘蛋白23结合在一起。

从那里，研究人员选择了三个小到足以装进病毒胶囊的迷你基因。

该研究的主要作者、哈佛医学院神经生物学讲师玛丽娜·伊万琴科(Maryna Ivanchenko)广泛测试了老鼠耳朵中的三种迷你基因，这些基因经过基因改造，可以停止产生原钙粘蛋白-15。最终，只有一个迷你基因起了作用。

该基因成功地促使毛细胞产生迷你版的原钙粘蛋白-15，它与钙粘蛋白-23结合，形成打开离子通道所需的细丝。毛细胞成功地将振动转化为电信号。

对老鼠进行的听觉测试显示，老鼠的大脑可以接收到来自耳朵的声音信号——之前失聪的老鼠可以听到声音了。

“我们都很惊喜，”科里说。“我们认为这需要数年的优化和尝试，并调整蛋白质结构，但这一个版本几乎有效。”

“结果让我们激动不已，”伊万琴科补充道。“我们发现最令人兴奋的方面是，完全失聪的老鼠现在几乎可以像正常老鼠一样听到声音。”

从耳朵到眼睛

而迷你基因成功治疗耳聋在Usher 1F小鼠模型中，研究人员对其治疗与该综合征相关的失明的潜力更感兴趣。

研究报告的作者说，由于携带Usher 1F的儿童天生就严重失聪，内耳可能缺乏毛细胞，因此这种迷你基因不太可能改善他们的听力。此外，这些儿童中的许多人能够接受人工耳蜗植入，使他们能够听到声音。

研究人员指出，失明是另一回事，因为患有Usher 1F的儿童天生视力正常。他们说，如果这种迷你基因能产生视网膜中缺失的原钙粘蛋白-15，它就能阻止视力丧失。

如果治疗视力丧失是主要目标，为什么要从在老鼠内耳中测试微型基因开始呢?

研究人员说，主要是出于后勤方面的原因。原钙粘蛋白-15缺乏只会导致小鼠轻度视力丧失，且进展缓慢。这意味着测试迷你汽车需要数年时间基因在小鼠模型中，很难判断它们的效果如何。相比之下，这些小鼠生来就完全失聪，因此研究人员在几周内就得到了明确的结果。

科里说:“整个项目都是为了研究耳朵而设计的，我们的想法是，在耳朵上起作用的东西以后也可以应用到眼睛上，这是一种信念。”“虽然最好的测试系统是老鼠内耳，但目前的目标是治疗失明。”

科里实验室现在正在斑马鱼的眼睛中测试这种微型基因——这是一个更好的模型，因为当视网膜中没有产生原钙粘蛋白-15时，斑马鱼的视力会比老鼠更严重、更迅速地丧失。

如果迷你基因在斑马鱼视网膜上起作用，研究人员将在灵长类动物身上进行测试，并最终在人类身上进行测试。