γ-珠蛋白基因表达调控机制与临床应用

成人体内的血红蛋白是由2个 α-珠蛋白和2个β-珠蛋白组成的四聚体,负责氧气的运输。珠蛋白基因在基因组中成簇分布,其表达受到多种顺式作用元件和反式作用因子的共同调控,具有高度的组织特异性和发育时序性。β-地中海贫血和镰刀型细胞贫血是两种最常见的由于β-珠蛋白基因突变引起的常染色体隐性遗传病。γ-珠蛋白是一种主要在胎儿时期表达的类β-珠蛋白,同样具有载氧功能,但编码该蛋白的基因在上述贫血患者中却保持完好。因此,临床上优选的治疗方案之一是重新激活患者体内沉默的γ-珠蛋白基因的表达来弥补缺损的β-珠蛋白,从而缓解临床症状。目前已有多种能提高γ-珠蛋白基因表达的药物,在临床上用于治疗β-地中海贫血和镰刀型细胞贫血。随着基因组编辑技术的发展,针对这两种贫血的精准基因治疗研究也在进行中。本文着重介绍了参与γ-珠蛋白基因调控的转录因子和表观遗传修饰分子,以及目前相关的β-地中海贫血和镰刀型细胞贫血的临床治疗药物和手段,以期为深入阐明γ-珠蛋白基因的转录表达分子调控机制提供参考。     

胎儿血红蛋白的表达调控

胎儿血红蛋白是胎儿体内主要的血红蛋白类型,是由两条α肽链和两条γ肽链组成的四聚体。出生后胎儿血红蛋白在人体中的表达急剧降低至1%,由两条α肽链和两条β肽链组成的成人血红蛋白取而代之成为主要的血红蛋白类型。β地中海贫血和镰刀型细胞贫血发病原因均基于β-珠蛋白基因发生突变,致使β-珠蛋白合成不足或异常,进而引起一系列临床症状。诸多实验结果及临床疗效表明,提高患者体内γ-珠蛋白的表达可部分替代异常β-珠蛋白从而有效缓解患者的临床症状。随着基因治疗的发展,如何安全高效的再激活胎儿血红蛋白的表达成为治疗β型地中海贫血和镰刀型细胞贫血患者的重要科学命题。本文重点回顾近年来γ-珠蛋白表达的调控机制,以期对寻找更加有效激活胎儿血红蛋白的方法提供参考。     

人胎儿γ-珠蛋白基因的再活化及在β血红蛋白病治疗中的

在个体发育过程中,人β类珠蛋白基因的表达存在从胎儿（γ）到成人（β）珠蛋白基因的表达转换（或称开关）.β-地中海贫血和镰刀型贫血症是两种最为常见的严重危害人类健康的单基因遗传病,通过诱导胎儿期血红蛋白（HbF,α2γ2）在成人期表达对该病的治疗是一种有效的策略.一些活化γ珠蛋白基因表达的转录因子和辅助因子已经被鉴定,一些可以增加胎儿血红蛋白在成人红细胞中表达的药物也已被鉴别和实验,它们的作用机制被部分揭示,这些研究为发展通过活化γ-珠蛋白基因治疗镰刀形细胞贫血和重型β-地中海贫血的方法提供了重要线索和实验依据.     

血红蛋白疾病基因治疗研究进展

血红蛋白疾病是由于血红蛋白分子突变造成其结构或合成异常引起的一类疾病,分为血红蛋白病和地中海贫血两大类。前者表现为血红蛋白分子的珠蛋白肽链结构异常,如镰刀状贫血;后者表现为珠蛋白肽链合成速率的降低,如β-地中海贫血。本文主要以β-地中海贫血和镰刀状贫血为例,从DNA水平、RNA水平和基因调控及干细胞移植等方面介绍血红蛋白疾病基因治疗的研究进展,并结合生命科学的最新发现,对该领域将来可能出现的新的治疗方法提出展望。     

基因编辑技术在β-地中海贫血治疗中的研究

β-地中海贫血(β-地贫)是一种全球性的单基因遗传病，目前针对该病的治疗方法除造血干细胞移植外都是对症治疗，无法达到根治效果。基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿缺陷和异常基因引起的疾病，达到根治疾病的目的。近年，随着基因编辑技术的发展，基因治疗越来越成熟完善，在β-地贫治疗中的应用也变得广泛。目前，基因编辑技术发展经历了4个阶段，分别为ZFN技术、TALEN技术、CRISPR/Cas9技术以及单碱基编辑技术。本综述将总结上述4种基因编辑技术在β-地贫治疗中的原理、研究、优缺点以及局限性，旨在优化β-地贫的治疗策略。     

与胎儿珠蛋白基因持续表达有关的(A_γδβ)°—地贫纯合子及杂合子的分子鉴别

我们分子鉴别了一个缺失型中国(A_γδβ)°-地贫家系。先证者为这一缺失的纯合子,具有中度贫血症状。家系的另五个成员均为这一缺失的杂合子,其胎儿血红蛋白(HbF)为16—21％,接近或达到HPFH杂合子的HbF水平,并且几乎不表现贫血症状。限制性内切酶图谱分析证明了β-珠蛋白基因簇内的DNA顺序缺失,缺失的5′端点位于Aγ基因IVSⅡ内,3′端点在β-珠蛋白基因下游区远端,距HPFH-2的3′缺失端点上游区约11kb。缺失的总长度约为80kb。本文讨论了这一缺失导致胎儿血红蛋白在成人中持续活跃表达的可能机制。     

同源过表达BglR对嗜热毁丝霉β-葡萄糖苷酶活性的影响

目的:克隆嗜热毁丝霉(Myceliophthora thermophila ATCC42464)bglr基因,构建Mtbglr过表达载体,研究同源过表达bglr对嗜热毁丝霉β-葡萄糖苷酶活性及总纤维素酶活性的影响。方法:利用SLIC技术构建Mtbglr过表达载体;使用MtPpdc启动子及MtTpdc终止子将该基因进行同源过表达;利用原生质体转化、实时荧光定量PCR和酶活测定等技术实现bglr基因在嗜热毁丝霉中表达及酶活水平的鉴定。结果:成功构建Mtbglr过表达载体,并转化嗜热毁丝霉,结果表明,诱导培养条件下,转化子Mt8菌株的β-葡萄糖苷酶活性和胞外蛋白质浓度分别是WT菌株的1.7倍和1.9倍。结论:bglr基因对嗜热毁丝霉β-葡萄糖苷酶活性具有增强作用,为嗜热真菌β-葡萄糖苷酶基因调控奠定了理论基础。     

基因组编辑技术及其在昆虫遗传转化中的应用

锌指核酸酶、类转录激活因子式核酸酶和CRISPR/Cas技术是近几年发展起来的3种主要基因组编辑技术,其原理都是通过在生物基因组特定位点制造DNA双链断裂损伤,从而激活机体自身的DNA损伤修复机制,在此过程中引发各种变异。基因组编辑技术已在研究基因功能和基因修复中成功应用,基于基因组编辑技术的诸多优点,如CRISPR/Cas技术能对基因组中多个特定位点进行编辑,其有望成为昆虫遗传转化的主要策略。本文就锌指核酸酶、类转录激活因子式核酸酶和CRISPR/Cas技术的基本原理及其在昆虫中的应用做一简介,为今后利用基因组编辑技术进行昆虫遗传转化提供些许参考。     

根癌农杆菌介导转化Lesquerella fendleri L．的研究

以Lesquerella fendleri L.叶片和叶柄为外植体,研究了根癌农杆菌介导的β-葡萄糖醛酸苷酶基因(β-glucuronidase,Gus)的遗传转化技术,将再生植株叶片进行PCR分子鉴定和Gus组织染色,证实外源基因已稳定整合到植物基因组中,并得到表达。     

通过同源重组在聚球藻7002中表达小鼠金属硫蛋白-Ⅰ的初步研究

用PCR方法从海洋单细胞蓝藻聚球藻7002（Synechococcus sp. PCC 7002）基因组DNA中扩增得到藻蓝蛋白β亚基基因（cpcβ）的上游序列（Pcpcβ）,及编码谷氨酰胺合成酶的glnA基因片段．以Pcpcβ作为启动子、以glnA基因片段作为整合平台,构建含有小鼠金属硫蛋白-Ⅰ（mMT-Ⅰ）cDNA的同源整合表达载体pKGC-MT.通过自然转化法将整合表达载体导入聚球藻7002中,经氨苄青霉素筛选,得到遗传性状稳定的转基因藻.PCR检测证明mMT-Ⅰ基因已整合到蓝藻基因组DNA上;蛋白质印迹表明mMT-Ⅰ已在蓝藻中表达;ELISA结果显示mMT-Ⅰ在蓝藻中的表达量约为800 μg/g.     

羟基脲(Hydroxyurea)对细胞周期与珠蛋白基因表达的影响(简报)

已有许多证据表明羟基脲能增加镰状细胞贫血及β-地贫病人的胎儿型血红蛋白(HbF)的合成。最近,有人报道羟基脲也能使一些患有β-地贫病人的β-珠蛋白基因表达增加。K562细胞是人红白血病细胞株,它只能表达胚胎型(ε-)与胎儿型(γ-)珠蛋白基因,而不能表达成年型(β-)珠蛋白基因。因此,K562     

人类珠蛋白相关基因上游开放阅读框的变异分析

β-地中海贫血症是一种珠蛋白生成障碍的常染色体隐性遗传病。而γ珠蛋白基因的开放表达和胎儿血红蛋白的合成,是缓解β地中海贫血病人临床表型的一个重要因素。本研究针对202个血红蛋白相关调控基因或miRNA,对1802个β-地中海贫血症患者进行了目标区域捕获测序。通过生物信息学的分析,检测出了所有捕获区域内的突变。进一步对位于5′端非编码区(5′untranslated region, 5′UTR)的突变进行系统扫描,共计寻找到41个影响uORF(upstream open reading frame, uORF)有或无的功能性突变。从中选取了CHTOP基因(chr1:153606541 C>T)和TGFB1基因(chr19:41859418 G>A)的两个突变,通过定点诱变和双荧光素酶报告实验,在体外证实这两个突变均可显著地改变下游基因的表达。该研究结果为β-地中海贫血症临床表型的精确诊断提供了潜在的筛查靶点。     

α血红蛋白稳定蛋白的功能

α血红蛋白稳定蛋白(α-hemoglobin-stabilizingprotein,AHSP)是α血红蛋白分子伴侣,它能与α血红蛋白结合,维持α血红蛋白的稳定性,保持α血红蛋白可溶性,减弱α珠蛋白沉积对细胞膜的破坏作用。AHSP的结构、功能和作用机制的研究,对β地中海贫血的治疗具有重要的价值。     

通过同源重组在聚球藻7002中表达小鼠金属硫蛋白-Ⅰ的初步研究

用PCR方法从海洋单细胞蓝藻聚球藻7002(Synechococcus sp. PCC 7002)基因组DNA中扩增得到藻蓝蛋白β亚基基因(cpcβ)的上游序列(Pcpcβ),及编码谷氨酰胺合成酶的glnA基因片段.以Pcpcβ作为启动子、以glnA基因片段作为整合平台,构建含有小鼠金属硫蛋白-Ⅰ(mMT-Ⅰ)cDNA的同源整合表达载体pKGC-MT.通过自然转化法将整合表达载体导入聚球藻7002中,经氨苄青霉素筛选,得到遗传性状稳定的转基因藻.PCR检测证明mMT-Ⅰ基因已整合到蓝藻基因组DNA上;蛋白质印迹表明mMT-Ⅰ已在蓝藻中表达;ELISA结果显示mMT-Ⅰ在蓝藻中的表达量约为800 μg/g.     

基因修饰小鼠构建的革命:CRISPR/Cas9技术

基因修饰小鼠在研究人类疾病致病机理和治疗手段中起到了关键作用。传统的小鼠基因组编辑使用胚胎干细胞(ES细胞),虽然可以对内源基因进行精细的修改,但是复杂、繁琐并且耗时。近几年发展的人工核酸酶可以在靶位点切割DNA双链,诱发细胞内源性修复机制,发生同源重组修复或非同源末端连接,从而提高了基因组编辑的效率。从ZFN到TALEN再到CRISPR/Cas9技术,新型基因组编辑技术正以惊人的速度渗入到生命科学的各项研究工作中。将对新型基因组编辑技术进行介绍,着重阐述CRISPR/Cas9系统介导的基因编辑技术在基因修饰小鼠中的应用,比较该系统与其他方法的优越性和不足,并对该系统进行展望。     

UTH1基因破坏提高重组酿酒酵母分泌β-葡萄糖苷酶

异源蛋白质分泌效率低限制了重组酿酒酵母的多种药用蛋白和工业酶生产。挖掘促进蛋白质生物合成和分泌的关键基因,是提高异源蛋白质生产效率的重要手段。酿酒酵母细胞壁完整性影响异源蛋白质分泌,本研究利用基于CRISPR/Cas9的基因组编辑技术,破坏了重组酿酒酵母Y294-BGL1中参与细胞壁合成的未知功能基因UTH1,发现所获得的突变体胞外β-葡萄糖苷酶酶活比出发菌株提高112.9%,而细胞壁完整性下降。对促进产酶的分子机理进行探索,发现突变体产酶条件下与细胞壁完整性相关的关键基因和与蛋白质分泌途径相关的基因转录出现明显差异,提示UTH1基因破坏不仅影响细胞壁完整性关键基因的表达,也影响蛋白质分泌途径。本文的研究结果有助于深入理解UTH1的基因功能,并为构建异源蛋白质高分泌酵母菌株提供了借鉴。     

无饲养层和动物源蛋白的β-地中海贫血诱导多能干细胞系的建立

β-地中海贫血患者因无合适的造血干细胞供体来源从而不得不靠输血维持生命。诱导多能干细胞(iPS)技术为获得患者自身遗传背景的干细胞进行临床治疗开拓了新途径。目前,建立iPS细胞系的过程需要使用小鼠胚胎成纤维细胞作为饲养层和动物源的蛋白成分,因此建立的iPS细胞系存在病原体和动物源蛋白污染的可能性,不能应用于临床。采用目前商品化的TeSRTM2和StemAdhereTMDefined Matrix限定培养体系,利用Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc 4个转录因子组装在同一表达载体的可切除的慢病毒感染人β-地中海贫血成纤维细胞,建立了5株无饲养层和动物源蛋白的β-地中海贫血iPS细胞系,这些iPS细胞系具有人胚胎干细胞典型的特征,表达人胚胎干细胞的多能性分子标记,如Oct4、Nanog、Tra-1-60等。在体外分化能够形成拟胚体,在体内分化能够形成含有3个胚层类型细胞的畸胎瘤。     

TGF-β_1通过PI3K/AKT/ARK5/Snail信号通路促进非小细胞肺癌SPC-A1细胞的上皮-间质转化

上皮-间质转化(EMT)在肿瘤侵袭转移发展进程中起着重要的作用.转化生长因子-β(TGF-β)已被证实为肿瘤EMT的主要诱导剂.然而,其分子机制仍有待深入研究.该研究旨在探讨TGF-β1促进非小细胞肺癌(NSCLC)细胞系SPC-A1上皮-间质转化过程中的分子机制.细胞的形态学检查结果显示,TGF-β1刺激SPC-A1细胞后细胞形态变成梭形.Transwell侵袭实验揭示,TGF-β1刺激后细胞侵袭能力明显增强.Western印迹结果证明,与未经TGF-β1刺激的SPC-A1细胞比较,EMT上皮标志物上皮-钙粘蛋白(E-cadherin)表达明显下调,而间质标志物波形蛋白(vimentin)明显上调,p-AKT、p-ARK5的表达也明显增强.此外,转录因子Snail在细胞核内的表达水平明显增强.TGF-β1和PI3K抑制剂LY294002同时刺激SPC-A1细胞后,p-AKT、p-ARK5较只加TGF-β1时表达明显降低,Snail在核内的表达水平也明显降低.结果提示,TGF-β1通过激活AKT、ARK5磷酸化,促进转录因子Snail入核,进而导致SPC-A1细胞EMT.     

MEK抑制剂PD0325901显著提高猪胎儿成纤维细胞ssODN介导的HDR效率

基因组DNA发生双链断裂(double strand break, DSB)后主要通过同源定向修复(homologous-directed repair, HDR)和非同源末端连接(nonhomologous end joining, NHEJ)两种途径进行修复,其中单链寡聚核苷酸(single-stranded oligodeoxyribonucleotide, ssODN)介导的同源定向修复是动物基因组常用的基因组定点修饰技术,具有较大的科研和应用价值。为提高猪基因组ssODN介导HDR效率,本研究以猪胎儿成纤维细胞(porcine fetal fibroblasts, PFFs)为研究对象,利用丝裂原活化的细胞外信号调节激酶(mitogen-activated extracellular signal-regulated kinase, MEK)抑制剂PD0325901培养细胞,研究其对HDR效率的影响及作用分子机理。结果显示,PD0325901能显著提高PFFs的G_2期和S期细胞群百分比,减少G_1期细胞群比率,促进HDR修复因子的表达。在最适浓度250 nmol/L时,PD0325901使ssODN介导的GFP报告载体的修复效率提高了58.8%;同时使PFFs基因组位点DMD和ROSA26定点修饰效率分别提高了48.16%和17.64%。本研究表明,MEK抑制剂PD0325901能显著提高猪基因组ssODN介导的同源定向修复效率,为高效制备定点基因修饰动物模型提供了新思路。     

2型腺相关病毒载体介导正常人β珠蛋白基因在重型地贫流产胎儿造血细胞中的表达

目的:探讨2型重组腺相关病毒(recombinant adeno-associated virus 2,rAAV2)载体介导人β-珠蛋白基因转染地贫患者造血细胞治疗β-地中海贫血的可行性.方法:分离β 41-42/β 654杂合子型重型β-地贫流产胎儿造血细胞,经rAAV2-β-globin病毒转染(MOI=50)后移植入经X射线照射的BALB/c裸小鼠体内,分别于移植后14d、21d处死受体小鼠,RT-PCR及等位基因特异性PCR法检测人珠蛋白基因在受体小鼠体内的表达.结果:RT-PCR方法于3只受体小鼠骨髓样本中成功检测到人β-actin和人β-珠蛋白基因的表达,而21d处死的转染与对照小鼠外周血样本中未检测到人β-珠蛋白基因表达;等位基因特异性PCR方法在所有受体鼠体内同时检测到β 41-42和β 654突变基因,以及正常β-珠蛋白基因的表达,但rAAV2-β-globin转染组小鼠体内正常人β-珠蛋白基因表达水平明显高于对照组.结论:rAAV2可有效转染β 41-42/β 654杂合子型重型地中海贫血患者造血细胞,并通过exvivo途径介导β-珠蛋白转基因的体内表达,提高红系细胞内正常β-珠蛋白基因的表达水平.