CRISPR基因编辑技术服务
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红棉 · 基因敲除计划
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iPSC技术的研究路线
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先天性心脏病（CHD）是最常见的出生缺陷之一，约1%的新生儿会患有此病。尽管约45%的CHD病例由编码基因的罕见突变引起，但其余病例的遗传机制尚不明确。非编码区占人类基因组的99%，其中调控心脏发育的顺式调控元件（CREs）可能受非编码新生突变（ncDNVs）的影响。然而，由于非编码突变的数量庞大且功能验证困难，对其进行致病性鉴定一直是巨大的挑战。
2024年2月20日，美国哈佛大学医学院William Pu研究组和Christine Seidman研究组合作在Nature Genetics（IF=31.7）上发表了题为“Functional dissection of human cardiac enhancers and noncoding de novo variants in congenital heart disease”的研究论文。这项工作结合慢病毒介导的高通量平行报告基因系统（lentiMPRA）和人iPS细胞分化的心肌细胞(hiPSC-derived cardiomyocytes, hiPSC-CMs)模型，全面解析了先天性心脏病中的非编码点突变对人心肌细胞增强子活性的影响。此外，该研究基于从CHD患者中筛选到的非编码区新生点突变（ncDNVs），利用CRISPR/Cas9技术将候选突变精准引入健康人iPS细胞中，并将该疾病细胞模型分化为心肌细胞（hiPSC-CMs）。通过对心脏发育过程的模拟与单细胞测序分析技术的联合应用，作者成功揭示了非编码区点突变如何影响人类心肌细胞分化。该研究首次将患者iPS细胞模型与高通量功能基因组学结合，系统揭示非编码突变通过调控心脏增强子影响CHD的机制。通过“iPSC-基因编辑-分化-功能分析”的闭环研究路线，不仅为CHD的遗传诊断提供新工具，也为其他复杂疾病的非编码突变研究提供了可扩展的技术框架。
遗传性再生障碍性贫血作为儿科领域高发的难治性血液系统疾病，存在显著的恶性转化倾向，相当比例患儿在病程进展中会出现白血病表征。迄今为止，该病种发病的分子机制仍是精准医学领域的未解难题。2020年11月3日，Mol Cell杂志刊载了由英国剑桥大学KJ Patel团队与日本京都大学高田穣团队联合完成的重要研究，为遗传性再生障碍性贫血的病理机制提供了全新解释。研究团队首次揭示，当患者同时携带乙醛脱氢酶2（ALDH2）与乙醇脱氢酶5（ADH5）的基因变异时，造血分化过程中产生的内源性甲醛无法被有效清除，造成DNA损伤持续累积，最终引发造血功能衰竭并向白血病转化。此类因醛类代谢双酶系统功能障碍被命名为"醛降解缺陷（ADD）综合征"。
在此基础上，近期日本京都大学高田穣团队在 Blood （IF=21）期刊发表了题为 Analysis of disease model iPSCs derived from patients with a novel Fanconi anemia–like IBMFS ADH5/ALDH2 deficiency 的研究论文。作者结合CRISPR/Cas9 基因编辑技术与体外造血细胞分化等技术手段，成功揭示了 ADH5/ALDH2 是如何在人体造血过程中通过甲醛的代谢来防止造血干细胞受到损伤。基于对ADH5 和ALDH2在甲醛代谢过程中存在协同作用的发现，作者有针对性地进行iPSC疾病模型的构建和基因编辑，包括将携带ADH5双等位突变及ALDH2*2杂合变异的患者成纤维细胞通过非整合型技术重编程为iPS细胞系，以及利用CRISPR/Cas9技术将可诱导表达的ADH5-FLAG基因定点整合至iPS细胞的ROSA26位点，实现ADH5的调控性表达，验证其对表型的挽救作用。此外，在健康供体iPS细胞中，作者也通过CRISPR/Cas9技术构建ADH5单敲除、ALDH2单敲除及双敲除模型，模拟患者基因型。结合iPSC的体外造血分化和后续的机制探讨，作者成功揭示ADH5/ALDH2缺陷通过内源性甲醛累积引发造血干细胞衰竭的机制，提出甲醛代谢与DNA损伤应答的协同作用在血液系统稳态中扮演的关键角色。同时，ALDH2激活剂C1的疗效验证也为这类代谢性骨髓衰竭综合征提供了潜在治疗策略。
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