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    科研進(jìn)展

    廣州健康院利用人肝類(lèi)器官發(fā)現線(xiàn)粒體疾病的鐵死亡全新病理

    發(fā)表日期:2021-03-09供稿:劉興國來(lái)源:放大 縮小

      近日,中國科學(xué)院廣州生物醫藥與健康研究院劉興國課題組構建了線(xiàn)粒體DNA缺失綜合癥(MDS,Mitochondrial DNA depletion syndrome)病人特異性的及其CRISPR/Cas9修復的誘導多能干細胞,進(jìn)而分化高純度3D肝類(lèi)器官和2D肝樣細胞作為肝臟疾病的聯(lián)合模型。該研究發(fā)現MDS病人肝細胞對鐵沉積導致的鐵死亡(一種細胞的死亡方式)更為敏感,闡明線(xiàn)粒體溶酶體互作引發(fā)鐵死亡的病理,并篩選出N-乙酰半胱氨酸(NAC)作為潛在的候選藥物。這項研究揭示了線(xiàn)粒體疾病的全新死亡模式、細胞器互作機制和潛在治療策略,相關(guān)成果于3月8日以A combined model of human iPSC-derived liver organoids and hepatocytes reveals ferroptosis in DGUOK mutant mtDNA depletion syndrome發(fā)表在Advanced Science(《先進(jìn)科學(xué)》)上。 

      線(xiàn)粒體是真核生物細胞中最重要的細胞器之一,除了為細胞提供能量外,它還參與調控細胞代謝、氧化應激、細胞死亡等多種生理活動(dòng),在細胞生、老、病、死等各方面發(fā)揮重要作用。線(xiàn)粒體DNA缺失綜合癥是由于維持線(xiàn)粒體DNA合成的核基因突變,線(xiàn)粒體DNA含量嚴重減少,導致多組織器官功能障礙的重大疾病,受累器官通常有肝臟、腦、肌肉等。病理表型具有組織特異性,目前已發(fā)現至少9種基因突變會(huì )導致MDS。劉興國課題組在前期工作中報道了丙戊酸誘發(fā)Alpers-Huttenlocher綜合征(由POLG突變導致的MDS)肝毒性的機理,并建立了相應的候選藥物篩選策略,是首次利用誘導多能干細胞(iPSC)技術(shù)建立遺傳特異的肝細胞毒理學(xué)模型,成為解決臨床問(wèn)題的成功范例(Xingguo Liu*, Hepatology, 2015)。此后,在線(xiàn)粒體疾病方向,劉興國團隊進(jìn)行了持續深入的研究。 

      DGUOK是脫氧鳥(niǎo)苷激酶,是線(xiàn)粒體內合成嘌呤核苷酸重要的酶,該基因突變是導致肝腦型MDS最常見(jiàn)的遺傳背景因素?;颊叽蠖喑錾?個(gè)月內發(fā)病,預后極差,通常一年內死于嚴重肝衰竭,除了肝移植,沒(méi)有其他有效的治療方法。肝臟鐵沉積是其重要臨床表型,血清學(xué)檢查也顯示血清鐵蛋白和轉鐵蛋白升高。肝臟作為人體內主要的鐵貯器官,鐵過(guò)載時(shí)肝臟首當其沖成為鐵毒性攻擊的主要部位。然而鐵在這個(gè)疾病中起何種作用?相關(guān)研究至今一片空白! DGUOK突變的MDS病人進(jìn)展如此迅速且嚴重的肝衰竭病理機制至今尚未解釋清楚,更無(wú)有效的針對性治療藥物,亟需深入研究,探尋有效治療手段。 

      團隊為了攻克這一醫學(xué)難題,將病人皮膚成纖維細胞重編程為iPSC,進(jìn)行CRISPR/Cas9基因修復,保證了遺傳背景的一致性。接著(zhù),團隊利用高純度3D肝類(lèi)器官分化培養技術(shù)排除膽管細胞干擾,并結合2D肝樣細胞分化技術(shù),建立了一個(gè)更為強大可靠的體外肝臟疾病模型。 

      團隊發(fā)現病人肝細胞線(xiàn)粒體DNA缺失導致線(xiàn)粒體功能障礙、ATP合成減少、和活性氧(ROS)大增。病人3D肝類(lèi)器官和2D肝樣細胞均對鐵沉積導致的鐵死亡更敏感。這一鐵死亡是線(xiàn)粒體與溶酶體的細胞器互作事件:首先線(xiàn)粒體活性氧激增及谷胱甘肽耗竭,繼而核受體共激活因子4(NCOA4)介導鐵蛋白在溶酶體中降解,鐵蛋白里的鐵釋放到胞質(zhì)中,引起脂質(zhì)過(guò)氧化增加,最終導致肝細胞鐵死亡。進(jìn)一步的工作篩選出谷胱甘肽的前體—N-乙酰半胱氨酸(NAC)可以顯著(zhù)抑制病人肝細胞鐵死亡。 

      該研究首次將高純度3D肝類(lèi)器官技術(shù)應用于遺傳性肝病研究,論證了MDS疾病發(fā)生鐵死亡這一全新病理,揭示了其臨床肝臟鐵過(guò)載的奧秘,并篩選出有效的抑制鐵死亡候選藥物。更重要的是,不限于MDS,線(xiàn)粒體DNA缺失廣泛存在于衰老、退行性疾病和其他遺傳性疾病中,所以該發(fā)現具有廣泛的潛在病理和治療意義。 

      本研究與山東大學(xué)合作完成,獲國家重點(diǎn)研發(fā)項目、中科院、國家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費支持。 

      論文鏈接

      

      線(xiàn)粒體疾病肝細胞的全新鐵死亡模式、細胞器互作機制 

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