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基因修饰猪在异种器官移植中的研究进展

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中华移植杂志(电子版)2017年5月第11卷第2期Chin J Transolant(Electronic Edition),Mav 2017.Vo1.11,No.2 ・119・ ・综述・ 基因修饰猪在异种器官移植中的研究进展 陈鹏飞 , 聂惠蓉 戴一凡 蔡志明 牟丽莎 , 【摘要】 器官移植是治疗终末期器官衰竭的最有效手段,但供器官严重匮乏已成为器官移 植发展的最大障碍,异种器官移植为解决这一问题开辟了新思路。猪在遗传学、解剖学及生理特 性等方面与人具有较大的相似性,因此被认为是异种器官移植最理想的供体来源。随着基因编 辑技术的发展,基因修饰猪在异种器官移植领域中的研究与应用已取得较大进展。本文就基因 修饰猪在猪一灵长类动物异种器官移植中的研究与应用进行综述。 【关键词】 基因修饰猪;异种器官移植;基因编辑 The research progress of genetically modiifed pigs in xenotransplantation Chen Pengfei 一,Nie Huirong2,Dai Yifan ,Cai Zhiming2,Mou Lisha 2. Zhongshan School ofMedicine,Sun Yat—sen University,Guangzhou 510275,China; Shenzhen Xenotransplantation Medical Engieerinng Research and Development Center,Shenzhen Second Peoples Hospital,Shenzhen 518037,China; Jiangsu Key Laboratory f oXenotransplantation,Nanjing Medical University,Nanifng 210029,China Corresponding author:Mou Lisha,Email:mollymolly@163.con _【Abstract】 Organ transplantation is the most effective method to treat end—stage organ failure, but the severe shoflage of donor organs has become the biggest obstacle for the development of organ transplantation. Recently,the study of xenotransplantati0n provides potential alternatives to solve the ever increasing shoaage of donor organs.The pig is considered as the most suitable xenograft donor because of its physical and physiological similarity with humans.With the development of gene editing technique,the research and application of genetically modiifed pigs in the field of xenotransplantation have made great progress.In this review,we will discuss the progress of genetically modiifed pigs in pig-to—primate xenotransplantation. 【Key words】 Genetically modiifed pigs; xenotransp1antation; Gene editing 器官移植是终末期器官功能衰竭的有效治疗手 段,然而供器官严重不足导致许多患者无法进行器 官移植。因此,异种器官移植研究具有重要的临床 随着基因编辑技术的发展,如锌指核酸酶(zinc ifnger nucleases,ZFN)、类转录激活效应因子核酸酶 (transcription activator-like effector nucleases, 应用价值。猪在遗传学、解剖学及生理特征等方面 与人类有很多相似之处,如果能以猪的功能性器官 TALEN)和规律成簇间隔短回文重复序列 (clustered regularly interspaced short palindromic 或细胞代替人源供器官用于治疗终末期器官功能衰 竭的患者,将在很大程度上解决供器官匮乏的难题。 异种器官移植的关键性难题在于猪与人之间的分子 repeats,CRISPR)及CRISPR相关核酸酶9(CRISPR- associated nuclease 9,Cas9)等技术的应用 ,对猪的 基因进行多位点的编辑或改造得以实现。利用经过 基因修饰的猪作为器官供体并合理应用免疫抑制 不相容性和受者对供器官的免疫排斥反应,对供器 官进行基因改造是解决上述问题的有效方法之一。 DOI:10.3877/cma.j.issn.1674—3903.2017.02.013 剂,可以有效降低异种器官移植免疫排斥反应。目 前研究表明,对猪的基因进行修饰和改造是异种器 官移植得以成功的前提条件 。本文重点综述了 基金项目:国家自然科学基金(81501385);深圳市科技计划基 础研究项目(JCYJ20150330102720149);深圳市科创委学科布局项 目(JCYJ20160229204849975);深圳市科创委企业工程中心项目 (GCZX2015043017281705) 基因修饰猪在异种器官移植中的研究与应用。 1基因编辑技术 作者单位:510275广州,中山大学中山医学院 ;518037深圳市 第二人民医院异种器官移植医疗工程研究与开发中心 ;210029南 京医科大学江苏省异种器官移植重点实验室 对基因的干扰或敲除是研究基因功能的重要手 段,早期的研究者通过化学诱变或转基因手段(如 病毒诱导、转座子诱导)等方法得到随机的基因突 通信作者:牟丽莎,Email:molly—molly@163.corn ・120・ 中华移植杂志(电子版)2017年5月第l1卷第2期Chin J Transplant(E1ectr0nic Edition),May 2017,Vo1.11.N0.2 变。靶向性基因突变则始于同源重组技术的应用, 通过构建具有同源序列的靶向载体,利用重组酶系 统进行定点基因重组产生突变,但同源重组的效率 非常低下 J,大大了其在科学研究中的广泛 应用。 高效靶向性基因突变的发明对于基因编辑技术 具有里程碑式的意义,使得基因编辑在细胞水平和 动物水平得以广泛应用。基于位点特异性核酸酶的 靶向性基因突变相关研究发现,核酸酶能使基因组 DNA产生双链断裂(double—strand break,DSB),进 而诱导细胞内修复机制,在DSB修复过程中由非同 源末端连接(non—homologous end joining,NHEJ)形 成DNA缺失突变。或由同源定向修复(homology— directed repair,HDR)形成插入突变 J。目前,广泛 应用于基因编辑的核酸酶主要有3种:ZFN、 TALEN、CRISPR/Cas9[1,5]。 ZFN具有2个重要的功能结构域:DNA识别结 构域和非特异性DNA剪切结构域。DNA识别结构 域具有3个或3个以上的Cys:His 锌指结构,识别 并结合9或12个碱基对组成的特异性DNA序列。 非特异性的剪切结构域来自于FokI核酸内切酶,必 须以二聚体的形式发挥作用,2个的ZFN在特 定的基因组位点上分别切割,形成DSB并激活基因 修复信号,产生靶向性基因序列缺失或插入突变。 2009年,Geurts等 应用ZFN首次成功构建了基因 敲除大鼠。自此以后,应用ZFN技术逐渐在小鼠、 大鼠、牛、猪等动物模型中实现了靶向性基因 编辑 。 TALEN是另一种序列特异性核酸酶,与ZFN相 似,TALEN也包含DNA识别结构域和FokI核酸内 切酶2个结构域。FokI核酸内切酶能剪切类转录 激活效应因子(transcription activator-like effector nucleases,TALE)所识别的DNA序列形成DSB,从 而激活基因修复信号并以NHEJ或HDR这2种形 式产生靶向性基因突变。2010年,Christian等 报 道了TALE与FokI核酸内切酶的融合蛋白能形成 特异性DNA序列DSB。随后TALEN被应用于斑马 鱼、小鼠、大鼠、兔、猴、猪等多种物种的基因编辑。 与ZFN相比,TALEN系统能识别8~31个碱基对的 DNA序列,可以更容易、更广泛地设计靶标序列;此 外,TALEN比ZFN的效率和特异性更高 。 CRISPR/Cas9于2012年被首次报道,是一种由 RNA序列介导的核酸酶识别剪切系统,包含一段识 别靶基因序列的向导RNA和一个Cas9核酸内切 酶 lo)。CRISPR/Cas9是一种存在于许多细菌和古 生菌体内、具有破坏侵入菌体的外来DNA片段的核 酸酶系统,对细菌和古生菌具有重要的保护作用。 2012年,Jinek等 发现将CRISPR RNA(crRNA) 和反式激活的crRNA(tracrRNA)作为整体设计为单 个RNA嵌合体时,仍能介导Cas9核酸酶在靶基因 特定位点实行剪切,使得CRISPR/Cas9开启基因编 辑的新篇章。此后,应用CRISPR/Cas9技术在细胞 及斑马鱼、小鼠、猪、猴等生物体内实现了基因敲除 或敲入。CRISPR/Cas9相比于ZFN、TALEN在实验 操作上更容易、效率更高,在科学研究领域得到广泛 应用 2基因修饰猪的构建 早期构建基因修饰猪主要采用原核显微注射、 病毒介导、转座子介导或胞质内精子注射、RNA干 扰等方法,但这些方法存在效率低下、非特异性、安 全性不高或不能繁殖等缺点 J。体细胞核移植技 术的发展对大动物克隆和构建基因修饰动物具有里 程碑式的意义,该技术的发展使得构建基因修饰猪 的研究迅速进展 。 应用同源重组技术和体细胞核移植技术,第一 次真正意义上实现了基因敲除猪的构建与繁殖。自 2002年以来,应用上述技术成功构建了多种基因修 饰猪,但应用该技术在猪成纤维细胞中获得基因敲 除的效率非常低下。核酸酶介导的基因编辑技术大 大提高了获得基因敲除细胞的效率,特别是 CRISPR/Cas9技术的出现,显著促进了基因修饰猪 研究的发展。为了降低猪一灵长类动物间的分子不 相容性,研究者针对异种抗原分子、免疫反应调节因 子、凝血反应调节因子等靶基因,构建了多基因敲除 或转基因猪。 特异性敲除猪体内的异种抗原合成酶基因能有 效克服异种器官移植的免疫排斥反应。半乳糖 oL1,3一半乳糖(galactose仅1,3一galactose,Ga1)是猪血 管内皮表达的一种糖抗原,由仅1,3一半乳糖基转移 酶(cxl,3.galactosyltransferase,GGTA1)催化合成,该 抗原能被灵长类动物体内的抗猪抗体识别,从而在 受体内引起针对异种器官的超急性排斥反 应 12]。2002年,Lai等¨ 首次应用同源重组和 体细胞核移植技术成功构建了GGTA1基因敲除 (dl,3一galactosyltransferase gene knockout,GTKO) 猪,GGTA1基因的敲除在很大程度上克服了猪一灵 长类动物异种器官移植的超急性排斥反应。除Gal 中华移植杂志(sgq ̄)2017年5月第11卷第2期Chin J TraIlsp1ant(Electronic Edition),Mav 2017,V01.11,No.2 ・121・ 外,N.羟乙酰神经氨酸(N-g1yco1ylneuraminic acid, Neu5Gc)是另一种在猪体内表达的异种抗原,合成 该抗原的基因胞苷酸N一乙酰神经氨酸羟化酶 (cytidine monophosphate-N-acetylneuraminic acid 到显著提高。例如在GTKO猪体内表达1个或多个 人补体调节蛋白(human complement regulatory protein,hCRP)(如CD46、CD55、CD59),显著降低了 猪一灵长类动物异种器官移植中由天然抗体介导的 免疫排斥反应 。 3基因修饰猪在异种器官移植中的研究与应用 3.1 肾移植 hydroxylase,CMAH)也已被成功敲除,并成功实现了 GGTA1/CMAH双基因敲除 。 异种器官移植受体补体系统激活对移植器官的 血管内皮细胞具有强烈的破坏作用,在猪血管内皮 细胞中表达补体调节基因则能有效地抑制补体反 应,从而保护移植器官,研究者已成功构建表达人源 性膜辅助蛋白(CD46)、衰变加速因子(CD55)、膜反 应性溶解抑制蛋白(CD59)的转基因猪 1 。在猪基 因组中表达适应性免疫反应的调节因子抑制T细 胞、NK细胞反应,或敲除猪的免疫激活因子,可进 一步降低异种移植器官引起的细胞免疫反应。如细 胞毒T淋巴细胞相关抗原4免疫球蛋白转基因 猪¨ 、MHCⅡ类分子反式激活因子N端缺失显性 负向突变(MHC class II molecule transactivator— dominant negative,C 1I TA.DN)转基因猪、TNF相关 诱导凋亡配体转基因猪、CIM7转基因猪、TNFc ̄诱 导蛋白3(A20)转基因猪、白细胞抗原敲除猪等一 系列基因修饰猪 已被成功构建。有研究团队已 培育出人CⅡTA—DN转基因猪,CⅡTA.DN可以抑 制猪抗原提呈细胞、动脉内皮细胞中Ⅱ型白细胞抗 原的表达,同时能降低人的T细胞反应 。 由于猪与灵长类动物在凝血和血栓因子上 存在较大的差异,异种移植后可能发生移植器官血 栓性微血管病或受体全身消耗性凝血障碍。应用基 因编辑技术在猪体内表达抗凝血或抗血栓的因 子,有望克服在异种移植器官中出现的异常凝血反 应和血栓性微血管病,这些基因主要包括血栓调节 蛋白(thrombomodulin,TM)、内皮细胞蛋白C受体 (endothelial protein C receptor,EPCR)、组织因子途 径抑制物(tissue factor pathway inhibitor,TFPI)、胞外 三磷酸核苷双磷酸水解酶(CD39)等 J。目前, 人TM转基因猪 、人TFPI转基因猪 、人CD39 转基因猪_2 等已成功构建。体外实验表明,来自人 TM转基因猪的细胞在调节血栓形成过程中具有显 著作用 。 应用基因修饰猪作为供器官来源,尤其是在异 种抗原基因敲除基础上构建免疫因子或抗凝血 因子的转基因猪,移植到非人类灵长类动物体 内,大大减轻了异种器官移植的免疫排斥反应和异 常凝血反应,使移植器官的存活时间和功能发挥得 2004年,CD55转基因猪供肾移植到狒狒体内 存活90 d_2 。2015年,有2个研究小组分别报道了 GTKO/hCRP转基因猪供肾在异种移植后存活时间 超过125 dl2 ,其中同时表达CD46/CD55/TM/ EPCR/CD39的GTKO猪供肾移植人狒狒体内后,存 活了136 d。 在人CD55/CD59转基因猪一狒狒肾移植模型 中,使用抗凝血酶能更好地防止或延缓异常凝血障 碍 。 。目前药理学的潜在证据也显示,抗凝剂或 抗血小板药物的使用可能是有益的[291。因此,基因 修饰猪供肾异种移植术后结合使用抗凝剂或抗血小 板药物能更好地克服凝血功能障碍。 此外,对移植受体进行优化选择的相关研究提 示,受体自身的生理条件对移植器官的存活也有很 大影响。Higginbotham等 报道了选择低滴度抗 猪抗体的恒河猴作为受体,接受GTKO/CD55转基 因猪供肾移植后,其存活时间延长。 3.2肝移植 早期研究结果显示,未经基因修饰的猪供肝移 植给非人类灵长类动物,存活时间一般不超过12 h。 2000年,Ramirez等 叫将人CD55基因修饰猪的供 肝移植至免疫系统受到抑制的2只狒狒体内,受体 术后分别存活4 d和8 d;而将未经基因修饰的猪供 肝移植入狒狒体内只存活了数小时,此外还发现即 使是人CD55基因修饰猪的供肝术后也未正常发挥 功能。 美国匹兹堡大学医学中心首次报道了GTKO 猪一灵长类动物异种肝移植,2只狒狒接受GTKO 猪供肝;8只狒狒接受人CD46/GTKO猪供肝,其中 6只术后存活了4~7 d,通过测定移植肝解毒功能、 补体活性、凝血参数以及凝血因子证明移植肝能正 常发挥功能,狒狒最终死于致命性血小板减少引发 的严重自发性出血 。Yeh等 将GTKO猪供 肝移植入狒狒体内,受体发生严重的血小板减少症, 导致致命性出血,3例异种肝移植受体分别存活了 6、9和15 d;同时研究显示,通过补充灵长类动物凝 ・122・ 中华移植杂志(电子版)2017年5月第11卷第2期Chin J Transplant(E1ectronic Editi0n),May 2017,v01.11,No.2 血成分可以避免受体大量出血。综上所述,应用 hCRP转基因猪(如人CD46)供肝行异种肝移植可 有效延长灵长类受体移植肝存活时间,但移植肝中 小血管血栓形成和血栓性微血管病变仍然是导致移 植肝丢失的主要原因。 3.3心脏移植 异种心脏移植中,大多供器官来自GTKO或 GTKO/hCRP基因修饰猪。hCRP对延长异种移植 心脏的存活时间具有重要作用,当1个或多个hCRP 基因(CD46、CD55或CD59)过表达时均能显著延长 异种移植心脏的存活时间,且有利于其正常发挥功 能 。 。2005年,Kuwaki等 首次报道了GTKO/ CD55转基因猪供心成功移植给狒狒,术后联合使 用T细胞反应抑制剂和抗CD154抗体免疫抑制剂, 移植心脏中位存活时间为78 d,最长达179 d。西班 牙一项研究表明,转导单基因(CD55)与双基因 (CD55/CD46)的基因修饰猪一狒狒异种心脏移植 后,移植心脏存活时间无差异 。伦敦大学学院研 究者将GTKO猪供心和GTKO/CD55猪供心分别移 植入狒狒体内,术后使用同一种免疫抑制剂,结果提 示CD55的表达了移植心脏局部补体激活,但 并未改善移植心脏的存活 。目前暂无数据表明 Gal抗体和移植物排斥反应与非Gal抗体、补体沉 积、微血管血栓以及内皮细胞激活相关。 还有其他两类基因修饰猪用于异种心脏移植, 一类是人凝血调节因子(CD39和hTM)转基因猪, 另一类是非Gal抗原(NeuSGc)基因敲除猪 。 Byrne等 在猪一灵长类动物异种心脏移植模型中 进行了全身抗凝或抗血小板治疗的前瞻性研究,结 果提示上述治疗并未成功预防微血管血栓形成或延 长移植物存活时间。 3.4胰岛移植 2006年,2个研究团队分别报道了猪胰岛在灵 长类动物体内存活时间超过6个月 ,显示出胰 岛在异种移植中的潜能。最近,Shin等 ¨将猪胰岛 分别植入5只恒河猴体内,4例胰岛移植物存活并 维持正常血糖,最长存活超过603 d。与野生型猪供 体比较,使用人CD46转基因猪和GTKO猪的胰岛 可以明显改善移植物存活_4 4 。在食蟹猴和狒狒 中使用多基因修饰猪的胰岛也取得很好的移植 效果 。 Gal在新生猪和胚胎猪胰岛中表达,但是在成 年猪胰岛中表达下降 。因此,为了预防异种胰岛 移植术后排斥反应,如果使用新生猪和胚胎猪胰岛 进行异种移植就必须应用GTKO猪。应用成年猪胰 岛进行异种移植可不用GTKO猪,但研究显示免疫 抑制剂减量时抗Gal抗体升高 。在不使用免疫 抑制剂的情况下,Gal抗原表达可能上调并从移植 物中释放出来,从而引发抗体介导的免疫反应 。 因此,建议成年猪异种胰岛移植也尽量采用GTKO猪。 异种胰岛移植后的免疫排斥反应和异常凝血是 影响胰岛细胞存活和功能发挥的关键因素。针对这 些问题,现已培育出多种基因修饰猪,基本策略是敲 除多糖抗原基因(如Gal、Neu5Gc),转入hCRP、凝血 调节或细胞免疫应答蛋白等基因。目前用于异种胰 岛移植的基因修饰猪见表1。 表1 目前用于异种胰岛移植的基因修饰猪种类 策略 基因修饰 补体调节 hCD46[ ̄] hCD55[”] hCD59[48] 抗凝和凝血调节 hTM[20] hCD39[49] 敲除多糖抗原 GTKO ̄ 0] 预防体液免疫反应 H.转移酶基因[ ] Neu5Gc KO[52] 抑制细胞免疫反应 CD152/CTLA4.k[ LEA29YIns[54] C II TA.DN[ ] 抗炎症和抗凋亡 HO 1[56] hA20157 3 多基因修饰 GTK0/hcD55/hcD59/hcD39[ 注:TM.血栓调节蛋白;GTKO.cd,3一半乳糖基转移酶基因敲 除;Neu5Gc KO.N一羟乙酰神经氨酸敲除;CTLA4一Ig.细胞毒T淋巴 细胞相关抗原4免疫球蛋白;C1ITA—DN.MHCII类分子反式激活因 子N端缺失显性负向突变;HO.1.血红素加氧酶-1;A20.肿瘤坏死 因子0【诱导蛋白3 3.5角膜移植 虽然角膜无血管组织,但猪一灵长类动物角膜 异种移植受体仍会出现体液和细胞免疫反应 。 有研究发现,无论是野生型还是GTKO猪角膜的各 层均有大量Neu5Gc表达;虽然野生型猪角膜上皮 和内皮细胞未发现Gal表达,但前基质区域有少量 Gal表达 j。灵长类动物血清中抗体可结合猪体内 抗原,大多数IgG与猪角膜上皮细胞和基质胶原表 达的抗原结合,仅少量IgM/IgG与角膜内皮中抗原 结合;此外,人和猴的抗体与GTKO猪角膜抗原结合 的能力比野生型猪弱 。在体外实验中,来自 GTKO/人CD46基因修饰猪的角膜内皮细胞中体液 和细胞免疫反应明显弱于野生型猪 。外周血细 胞中缺乏Gal和Neu5Gc的转基因猪与人之间的抗 中华移植杂志(电子版)2017年5月第l1卷第2期Chin J Transplant(Electronic Edition),May 2017,V01.11.No.2 ・123・ 原抗体结合反应显著减少,研究者由此推测,GGTA1 和CMAH双基因敲除猪的角膜异种移植将比 GGTA1单基因敲除效果更好 。 4展望 近年来,异种器官移植研究取得了非常显著的 进展,尤其是在降低术后急性排斥反应方面。虽然 异种移植物存活时间明显延长,但距离临床应用还 有漫长的路程。ZFN、TALEN、CRISPR/Cas9等基因 编辑工具的出现,为培育适宜的基因修饰猪开辟了 新的道路,基因修饰猪将成为低免疫原性的潜在供 体来源。迟发的排斥反应和移植物能否正常发挥功 能是异种器官移植中面临的难题。随着免疫抑制 剂、免疫耐受诱导等相关研究的进展,基因修饰猪用 于异种器官移植研究将会取得更大的发展,为异种 器官移植的临床应用打下坚实基础。 参考文献 1 Sakuma T,Woltjen K.Nuclease-mediated genome editing:At the front-line of functional genomics technology[J].Dev Growth Differ, 2014,56(1):2—13. 2 Lutz AJ,Li P,Estrada儿,et a1.Double knockout pigs deficient in N—glycolylneuraminic acid and galactose alpha一1,3-galactose reduce the humoral barrier to 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