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科研進展

廣州健康院利用人肝類器官發現線粒體疾病的鐵死亡全新病理

發表日期:2021-03-09供稿:劉興國來源:放大 縮小

  近日,中國科學院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组构建了线粒体DNA缺失综合症(MDS,Mitochondrial DNA depletion syndrome)病人特异性的及其CRISPR/Cas9修复的诱导多能干细胞,进而分化高纯度3D肝类器官和2D肝样细胞作为肝脏疾病的联合模型。该研究发现MDS病人肝细胞对铁沉积导致的铁死亡(一种细胞的死亡方式)更为敏感,阐明线粒体溶酶体互作引发铁死亡的病理,并筛选出N-乙酰半胱氨酸(NAC)作为潜在的候选药物。这项研究揭示了线粒体疾病的全新死亡模式、细胞器互作机制和潜在治疗策略,相关成果于3月8日以A combined model of human iPSC-derived liver organoids and hepatocytes reveals ferroptosis in DGUOK mutant mtDNA depletion syndrome發表在Advanced Science(《先進科學》)上。 

  线粒体是真核生物细胞中最重要的细胞器之一,除了为细胞提供能量外,它还参与调控细胞代谢、氧化应激、细胞死亡等多种生理活动,在细胞生、老、病、死等各方面发挥重要作用。线粒体DNA缺失综合症是由于维持线粒体DNA合成的核基因突变,线粒体DNA含量严重减少,导致多组织器官功能障碍的重大疾病,受累器官通常有肝脏、脑、肌肉等。病理表型具有组织特异性,目前已发现至少9种基因突变会导致MDS。刘兴国课题组在前期工作中报道了丙戊酸诱发Alpers-Huttenlocher综合征(由POLG突变导致的MDS)肝毒性的机理,并建立了相应的候选药物筛选策略,是首次利用诱导多能干细胞(iPSC)技术建立遗传特异的肝细胞毒理学模型,成为解决临床问题的成功范例(Xingguo Liu*, Hepatology, 2015)。此后,在线粒体疾病方向,刘兴国团队进行了持续深入的研究。 

  DGUOK是脱氧鸟苷激酶,是线粒体内合成嘌呤核苷酸重要的酶,该基因突变是导致肝脑型MDS最常见的遗传背景因素。患者大多出生后1个月内发病,预后极差,通常一年内死于严重肝衰竭,除了肝移植,没有其他有效的治疗方法。肝脏铁沉积是其重要临床表型,血清学检查也显示血清铁蛋白和转铁蛋白升高。肝脏作为人体内主要的铁贮器官,铁过载时肝脏首当其冲成为铁毒性攻击的主要部位。然而铁在这个疾病中起何种作用?相关研究至今一片空白! DGUOK突变的MDS病人进展如此迅速且严重的肝衰竭病理机制至今尚未解释清楚,更无有效的针对性治疗药物,亟需深入研究,探寻有效治疗手段。 

  團隊爲了攻克這一醫學難題,將病人皮膚成纖維細胞重編程爲iPSC,進行CRISPR/Cas9基因修複,保證了遺傳背景的一致性。接著,團隊利用高純度3D肝類器官分化培養技術排除膽管細胞幹擾,並結合2D肝樣細胞分化技術,建立了一個更爲強大可靠的體外肝髒疾病模型。 

  團隊發現病人肝細胞線粒體DNA缺失導致線粒體功能障礙、ATP合成減少、和活性氧(ROS)大增。病人3D肝類器官和2D肝樣細胞均對鐵沈積導致的鐵死亡更敏感。這一鐵死亡是線粒體與溶酶體的細胞器互作事件:首先線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,鐵蛋白裏的鐵釋放到胞質中,引起脂質過氧化增加,最終導致肝細胞鐵死亡。進一步的工作篩選出谷胱甘肽的前體—N-乙酰半胱氨酸(NAC)可以顯著抑制病人肝細胞鐵死亡。 

  該研究首次將高純度3D肝類器官技術應用于遺傳性肝病研究,論證了MDS疾病發生鐵死亡這一全新病理,揭示了其臨床肝髒鐵過載的奧秘,並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,所以該發現具有廣泛的潛在病理和治療意義。 

  本研究與山東大學合作完成,獲國家重點研發項目、中科院、國家自然科學基金、廣東省和廣州市的經費支持。 

  論文链接

  

  線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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