HepG2基因编辑细胞系 ——代谢疾病与遗传病研究的核心工具

HepG2 细胞系：肝脏研究的理想模型基石

HepG2 细胞系源自一名 15 岁高加索男性肝癌患者的肝细胞 ^[1] ，自 1979 年建立以来，凭借其保留的完整肝脏特异性功能，成为肝脏生物学、代谢调控及药物研发领域的标杆细胞模型。相较于原代肝细胞，HepG2 细胞具有 无限增殖能力 可在实验室中稳定培养传代，无需依赖新鲜组织分离；其基因背景均一稳定，避免了原代细胞的个体差异干扰，大幅提升实验结果的可重复性 ^[2] 。同时，HepG2 细胞高表达白蛋白、甲胎蛋白、药物代谢酶（如 CYP450 家族）等肝脏特征标志物，且具备脂质代谢、铜离子转运等核心生理功能 ^[2] ，相较于 Hep3B、SMMC-7721 等其他肝癌细胞系，更贴近人正常肝细胞的功能表型。因此，HepG2 成为全球实验室研究肝脏代谢、疾病机制及药物筛选的首选细胞系。

HepG2 的核心应用 —— 肝脏代谢与疾病模型构建

HepG2 细胞的天然优势使其能够模拟多种肝脏相关生理病理过程，尤其在代谢紊乱和遗传病模型中应用广泛：

• 脂质代谢紊乱模型： HepG2 可通过高脂培养基诱导，模拟非酒精性脂肪肝（NAFLD）的脂质堆积表型，其甘油三酯和胆固醇合成通路与人体肝脏高度同源，是研究脂质代谢调控的经典模型 ^[1] 。
• 药物代谢与毒性评估模型： 因高表达 CYP3A4、CYP2C9 等药物代谢关键酶，HepG2 被用于评估药物代谢途径、代谢产物毒性及药物相互作用，为新药研发提供核心数据支持 ^[1] 。
• 铜代谢异常模型： HepG2 具备完整的铜离子摄取与排泄通路，通过调控铜转运蛋白表达，可模拟肝豆状核变性等铜代谢缺陷病的病理状态 ^[5] 。

HepG2 与 CRISPR/Cas9 技术结合：解锁基因功能与疾病机制

HepG2 细胞虽为贴壁细胞，但常规基因编辑方法存在效率低、脱靶风险高等问题。CRISPR/Cas9 技术凭借精准靶向、构建简便、细胞毒性低的优势，与 HepG2 细胞结合后，成为解析肝脏相关基因功能、构建疾病模型的革命性工具。

编辑 LDLR 基因：解析高脂血症发病机制与药物研发

低密度脂蛋白受体（LDLR）是介导血浆 LDL-C 摄取的关键分子，其基因缺陷会导致家族性高胆固醇血症，引发动脉粥样硬化等心血管疾病 ^[3] 。有研究以 287 名家族性高胆固醇血症（FH）患者、45 名非 FH 受试者为研究对象，借助外显子靶向测序筛选出 6 个LDLR错义变异，利用 CRISPR/Cas9 技术构建6种 HepG2-LDLR 错义变异细胞系，p.C184Y 可提升 LDLR 蛋白稳定性，p.G373D、p.G549D 会中等程度改变蛋白构象，p.V797L、p.R814Q、p.V827I 对蛋白稳定性影响微弱；对 p.G373D、p.V797L、p.R814Q 构建 CRISPR/Cas9 编辑的 HepG2 细胞后检测发现，三类变异均显著降低 LDLR 的表达与活性，细胞出现脂质定位异常、大量脂质蓄积；临床数据表明，携带 p.G549D、p.V797L、p.R814Q 的受试者低密度脂蛋白胆固醇水平明显升高，p.G373D 与 p.G549D 还和 FH 典型临床症状密切相关。整体证实不同LDLR错义变异可通过改变蛋白结构、削弱受体功能，诱发血脂异常并推动家族性高胆固醇血症发生发展 ^[3] 。还有研究显示，LDLR 缺失可使乙肝病毒（HBV）感染效率下降 80%~90%；回补表达 LDLR 后，细胞感染能力完全恢复，而过表达 LDL 还能进一步提升 HBV 感染水平。实验证实 LDLR 不影响 HBV 基因组复制，主要通过结合病毒包膜上的载脂蛋白 E，充当 HBV 细胞附着受体，介导病毒入侵。该研究明确了 LDLR 在 HBV 感染中的关键作用，也为乙肝新型靶向药物研发提供了新靶点与实验依据 ^[4] 。

图 1.通过流式荧光分选含LDLR错义突变编辑的HepG2细胞

图 2.LDLR回补后HBV感染效率上升

编辑 ATP7B 基因：构建肝豆状核变性（Wilson 病）疾病模型

ATP7B 基因编码铜转运蛋白，其突变或缺失会导致铜离子无法通过胆汁排泄，在肝脏内异常蓄积，引发肝豆状核变性（Wilson 病） ^[5] 。研究者发现ATP7B可通过自身 LIR3 基序自噬标志物 LC3B 直接结合。铜离子刺激可诱导野生型 HepG2 细胞发生自噬；而 ATP7B 敲除细胞经铜处理后，LC3B-I 向 LC3B-II 转化受阻，自噬体与溶酶体融合效率显著下降。向 ATP7B 缺陷细胞回补野生型 ATP7B，可有效恢复铜诱导的自噬功能；但若转入 LIR3 位点突变的 ATP7B，则无法正常定位至自噬体膜，自噬缺陷表型难以改善。该研究证实 ATP7B 与 LC3B 的相互作用是铜代谢和自噬协同清除胞内过量铜的关键，为解析肝豆状核变性发病机制、开发靶向干预手段提供了重要实验依据 ^[5] 。该模型为 Wilson 病的发病机制研究、铜毒性干预策略筛选提供了核心工具，加速了疾病特异性治疗药物的研发进程 ^[6] 。

图 3.ATP7B敲除对细胞铜诱导自噬的影响

源井生物EZ-editor™技术——高效HepG2细胞基因编辑

EZ-editor™是源井生物针对细胞系基因编辑自主研发的技术（基于CRISPR/Cas），适用于高效基因敲除细胞的构建。该技术整合多项核心能力，包括：基于细胞基因组特性设计gRNA的独特算法、针对上千种细胞系不同基因编辑参数的摸索方法、精准检测Cell Pool编辑效率的方法以及单克隆形成率提升的方法以及高通量鉴定微量细胞基因型的方法，相较于传统方法，该技术的基因编辑编辑效率显著提升 10-20倍。

基于EZ-editor™技术，源井生物已针对HepG2细胞成功构建多个基因敲除细胞，涵盖热门基因靶点。 欢迎咨询！

参考文献

• [1]Knowles BB, Howe CC, Aden DP. Human hepatocellular carcinoma cell lines secrete the major plasma proteins and hepatitis B surface antigen. Science. 1980 Jul 25;209(4455):497-9. doi: 10.1126/science.6248960. PMID: 6248960.
• [2]Busch SJ, Barnhart RL, Martin GA, Flanagan MA, Jackson RL. Differential regulation of hepatic triglyceride lipase and 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase gene expression in a human hepatoma cell line, HepG2. J Biol Chem. 1990 Dec 25;265(36):22474-9. PMID: 2176219.
• [3]Mori AA, Malaquias VB, Bonjour K, Ferreira GM, Bortolin RH, Borges JB, Oliveira VF, Gonçalves RM, Faludi AA, Bastos GM, Thurow H, Sampaio MF, Ciconelli RM, Cury AN, Fajardo CM, Hirata RDC, Hirata MH. Effects of LDLR variants rs5928, rs750518671 and rs879254797 on protein structure and functional activity in HepG2 cells transfected with CRISPR/Cas9 constructs. Gene. 2024 Jan 10;890:147821. doi: 10.1016/j.gene.2023.147821. Epub 2023 Sep 20. PMID: 37739193.
• [4]Dullens SP, Mensink RP, Bragt MC, Kies AK, Plat J. Effects of emulsified policosanols with different chain lengths on cholesterol metabolism in heterozygous LDL receptor-deficient mice. J Lipid Res. 2008 Apr;49(4):790-6. doi: 10.1194/jlr.M700497-JLR200. Epub 2007 Dec 27. PMID: 18162663.
• [5]Pantoom S, Pomorski A, Huth K, Hund C, Petters J, Krężel A, Hermann A, Lukas J. Direct Interaction of ATP7B and LC3B Proteins Suggests a Cooperative Role of Copper Transportation and Autophagy. Cells. 2021 Nov 10;10(11):3118. doi: 10.3390/cells10113118. PMID: 34831341; PMCID: PMC8625360.
• [6]Yamaguchi Y, Heiny ME, Suzuki M, Gitlin JD. Biochemical characterization and intracellular localization of the Menkes disease protein. Proc Natl Acad Sci U S A. 1996 Nov 26;93(24):14030-5. doi: 10.1073/pnas.93.24.14030. PMID: 8943055; PMCID: PMC19489.