重磅！科学家培育出全球首例神经疾病模型猪
作者：孙小橘 木三子（中国科学院广州生物医药与健康研究院 暨南大学）
在广州九龙镇有一座 "猪宾馆"，生活着一群不寻常的实验小猪，它们能模拟人类的疾病，这里的科学家利用基因"剪刀" （CRISPR-Cas9）， 精准地把人突变的亨廷顿基因"粘贴（敲入）"到小猪的亨廷顿基因中，从而使猪患上了亨廷顿舞蹈症，全球首例神经疾病模型猪就此诞生！
我国科学家领衔的国际研究团队经过4年努力，利用基因编辑技术（CRISPR/Cas9）和体细胞核移植技术，成功培育出世界首例亨廷顿舞蹈症基因敲入猪，能精准地模拟人类神经退行性疾病。
该项成果于北京时间3月30日在线发表在生物学顶尖学术期刊《Cell》上，该研究为开发治疗亨廷顿舞蹈症的新手段提供了稳定、可靠的动物模型，也为培育其它神经退行性疾病大动物模型提供了技术范本和理论依据。
中科院院士裴钢教授在得知该成果发表后指出，在国家的前瞻性布局下，我国在基因编辑猴和克隆猴的研究中相继取得突破性成果，这次我国科学家在猪的疾病模型研究中又取得重大进展，表明我国在大动物模型的研究中已走在世界前列，将极大地推动我国生物医药产业的创新发展。
论文共同通讯作者为暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院李晓江教授、中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学研究员、美国Emory大学李世华（Shihua Li）教授。
图1：研究团队 李晓江教授（前排中），赖良学教授（前排右一），李世华（Shihua Li）教授（前排左一）
什么是亨廷顿舞蹈症
亨廷顿舞蹈症与阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症等其他神经退行性疾病一起，严重威胁着人类健康。这些疾病伴随年龄渐长而产生、可遗传、呈渐进性发展，由于缺乏合适的动物模型进行药物筛选，目前尚无有效的治疗方法。
图2：与衰老相关的神经退行性疾病
亨廷顿舞蹈症是由单基因（HTT）突变导致的神经退行性疾病。神经退行性疾病的致病蛋白变异后沉淀在神经细胞中，造成神经细胞功能紊乱，并引发神经细胞死亡，从而导致疾病发生。亨廷顿舞蹈症是一个理想的疾病模式，可用于研究蛋白质错误折叠如何引起选择性的神经退性病变，是以后研究多基因突变病症的基础。
图3：亨廷顿舞蹈症致病机理（来源：网络）
选择猪作为研究模型 为什么？
为了研究神经退行性疾病的致病原因和治疗手段，动物疾病模型必不可少，然而目前，常见的一些动物模型都存在局限性：
小鼠：作为最常见的动物模型，小鼠已被广泛地用于研究人类疾病机理和寻找临床治疗方法。李晓江团队在研究中发现，神经退行性疾病小鼠模型，并不能表现出像病人脑中一样的典型神经细胞死亡的重要病理特征。而且，许多有治疗效果的药物在小鼠模型中有效，在临床上对病人往往无效。
猴子：早在2008年，李晓江、李世华（Shihua Li）就在美国Emory大学合作者的支持下，将外源性的突变基因引入到猕猴的体内，建立了世界首只转基因亨廷顿病猴模型。不过李晓江教授说，在猴模型中，虽然可以明显地观察到相应的病理特征和行为变化，但表达外源性致病基因片段的毒性过强，转基因猴基本在出生后较短时间内就死亡，无法繁殖，不能达到筛选治疗疾病的药物的目的。另外，成熟的克隆猴技术最近才刚刚突破，还有待进一步的技术优化。
与果蝇、线虫、小鼠等小型动物相比，猪被公认为是人类医学研究理想的大动物模型。赖良学教授解释说，猪的心血管系统、消化系统、皮肤、营养需要、骨骼发育以及矿物质代谢等都与人的情况极其相似，猪的体型大小和驯服习性允许进行反复采样和进行各种外科手术。而且与非人灵长类动物相比，猪的基因多样、繁殖周期短、一窝产仔多，便于根据特殊需要进行选育。
图4：模拟人类疾病的转基因猪
所以，猪的疾病模型更合适药物筛选、人类疾病研究、评估干细胞治疗的研究结果，更容易转化为临床应用。作为华南地区重要的大动物疾病模型实验平台之一，赖良学团队先后建立了50余种在生物医药和农业领域具有重要价值的转基因和基因打靶克隆猪。
"基因魔剪"和克隆技术 催生疾病模型猪
2010年，李晓江、李世华（Shihua Li）找到了赖良学教授，建立了转基因亨廷顿舞蹈症猪模型。
不过，与猴模型一样，转基因猪模型也具有明显的表型特征，但不易存活、无法传代。这一问题让他们感到非常困惑，"人是在某个定点基因突变而导致亨廷顿疾病，而目前转基因技术是随机性的在内性基因中插入外源性突变基因，其表达量也高于内源性致病基因。"
摆在科学家面前的是一个难题：大动物转基因模型能够模拟神经细胞的凋亡和死亡，但由于表达外源性致病基因片段的毒性过强，转基因动物寿命较短，不能成功地将遗传基因进行传代。
团队分析，亨廷顿舞蹈症是内源性基因突变而造成的，如果直接把猪的内源性基因定点替换为人类亨廷顿疾病的突变基因，猪的病理变化应该与病人的病理状态更接近。然而，大动物没有成熟的干细胞培养体系，应用传统方法基因敲入的效率太低，在大动物中很难获得理想结果。
图5：利用基因编辑技术（CRISPR/Cas9）等技术
培育出世界首例亨廷顿舞蹈病基因敲入猪
2013年，基因编辑技术（CRISPR/Cas9）被广泛应用于哺乳动物中。在广东省科技计划的支持下，研究团队通力合作，利用基因编辑技术将人突变的亨廷顿基因插入到猪的内源性亨廷顿基因的表达框中（即人外显子1中包含的150 CAG重复序列精确地插入猪的HTT内源性基因中）。
图6：将人的HTT突变基因插入猪的HTT基因中
接下来，就是利用成纤维细胞筛选出阳性克隆细胞，这并非一件易事，需要把"单细胞逐个挑出来并进行筛选及鉴定，一定要挑选状态最好的细胞用来胚胎移植"。
负责此项实验工作的闫森先后筛选了上千个细胞，从中挑出确定带有突变基因且状态最好的细胞。闫森说，"每天早上7点进入细胞间，看细胞、换液、不停地跟细胞打交道，一抬头已是下午3点。好不容易筛选到的阳性克隆细胞如果状态不好又得重来，只有大量筛选才能获得最优的细胞克隆。"
图7：筛选阳性克隆细胞
筛选到理想的细胞后，他们运用体细胞核移植技术进行克隆，成功培育出带有突变基因的新生猪。在出生5个月后，科学家观察到这种亨廷顿猪出现了运动障碍等渐进性发病的表型。
下一步实验就是要将稳定表达致病基因的亨廷顿猪繁殖下去。由于疾病模型猪身体状态不好，在传代过程中更需要悉心的照料。为了证明亨廷顿基因敲入猪的病理特征更接近于人类，李世华（Shihua Li）教授多次从美国返回中国指导实验，亲自去猪场观察小猪的生存环境及生活状态。
在团队的呵护下，F1代小猪终于出生，实验成功了！结果验证，该模型猪不但能够模拟亨廷顿病患者在大脑纹状体的神经元选择性死亡的典型病理特征，在行为上也表现出类似亨廷顿病"舞蹈样"的异常行为。关键在于，这些病理及行为学表型都可以稳定地遗传给后代。
图8：亨廷顿疾病模型猪（HD-KI）能模拟病人的病理及行为特征
神经退行性疾病研究领域里程碑式的发现
从事多年研究亨廷顿病的权威专家、美国加州大学洛杉矶分校杨向东(X. William Yang)教授指出，亨廷顿舞蹈症基因敲入猪的建立是神经退行性疾病研究领域中一个里程碑式的发现，使科学家能更深入了解神经细胞死亡的机制及寻找有效的治疗方法。
作为世界首例亨廷顿病猪基因敲入模型，它表明在模拟病人的神经病理变化特别是脑疾病方面，大动物模型比小动物模型更具优势。
神经疾病基因敲入猪的成功，将推动我国发展大动物疾病模型的医药研发产业链，促进针对阿尔茨海默病、帕金森症、脊髓侧索硬化等神经退行性疾病，以及免疫缺陷、肿瘤、代谢性疾病的新药研发进程。同时，该动物模型可更好地应用于干细胞治疗等手段的临床前评价从而进行临床转化，最终造福于人类。
（除图3外，图片均由中国科学院广州生物医药与健康研究院、暨南大学提供）
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
大院热门文章top榜
点击文章标题，可直接阅读哦~
4、朋友圈看动态都过时啦！北斗卫星之间都流行一种新的黑科技……
科学大院
ID：kexuedayuan
从此，爱上科学~
长按二维码，即刻关注
转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn
为攻克难关的科学家们点赞！