Cell Stem Cell專家點評丨劉光慧/湯富酬/曲靜合作組通過基因編輯獲得優質人類血管細胞

點評丨蘭雨（暨南大學）

責編丨迦漵

乾細胞技術在再生醫學中具有廣闊的應用前景。由乾細胞體外誘導分化獲得的多種類型細胞移植入病灶部位後，可達到促進病損組織再生、恢復組織器官穩態和功能的目的。然而，乾細胞治療在有效性和安全性方面尚存局限，阻礙了該技術的普及。

來自中國科學院生物物理研究所劉光慧研究組、北京大學湯富酬研究組和中國科學院動物研究所曲靜研究組聯合突破，於2019年1月17日在Cell Stem Cell上發表了題為FOXO3-engineered human ESC-derived vascular cells promote vascular protection and regeneration的重要研究成果，通過靶向編輯單個長壽基因產生了世界上首例遺傳增強的人類血管細胞。這些血管細胞與野生型血管細胞相比，不但能更高效地促進血管修復與再生，而且能有效抵抗細胞的致瘤性轉化。遺傳增強人類血管細胞的成功獲得為開展安全有效的臨床細胞治療提供了重要解決途徑。

FOXO3（Forkhead box O3 ）是重要的人類長壽基因，與延緩細胞衰老、抵禦外界應激和增強心血管穩態關係密切【1】。此外，FOXO3的活化可通過誘導抑癌基因表達抵抗細胞的惡性轉化。研究人員歷時六年的探索，最終利用第三代腺病毒載體HDAdV（helper-dependent adenovirus vector，輔助病毒依賴型腺病毒載體）介導的基因編輯技術巧妙地置換了人類胚胎乾細胞中FOXO3基因的第3號外顯子中的兩個單核苷酸，從而實現了抑製細胞中FOXO3蛋白的磷酸化和降解，促進FOXO3在細胞核內的聚集進而激活下遊靶基因的表達。

圖1. 通過基因編輯產生FOXO3功能增強的人類血管細胞，用於治療缺血性血管病變

當FOXO3遺傳增強的人類胚胎乾細胞被定向分化為血管內皮細胞（血管內膜）、血管平滑肌細胞（血管中膜）及間質細胞（血管外膜）時，這三種血管細胞均表現出比野生型細胞更強的自我更新、抵抗氧化損傷及延緩細胞衰老等能力。在機制方面，內源激活的FOXO3通過拮抗CSRP1（Cysteine- and glycine-rich protein 1）基因【2】表達介導對血管細胞衰老的抵抗作用。更為重要的是，將遺傳增強的人類血管細胞靶向移植到動物模型的缺血部位，可高效促進受損血管的再生，迅速恢復缺血部位的血流，證明這些細胞具有明顯優於野生型細胞的血管修復能力。

為驗證遺傳增強乾細胞作為移植材料的安全性，研究人員將多種致癌基因導入野生型和遺傳增強的乾細胞中，發現遺傳增強乾細胞還可以有效地抵抗癌基因誘導的細胞惡性轉化。綜上所述，通過改寫人類基因組中的兩個鹼基，研究團隊成功建立了可同時抵抗細胞衰老和癌變的優質人類血管細胞。

圖2. FOXO3增強型人血管細胞對細胞癌化具有強抵抗作用

該項研究首次利用基因編輯技術實現了人類血管細胞的功能增強，揭示了長壽蛋白FOXO3維持人類血管穩態的新機制，從概念上證明了利用基因編輯策略獲得優質安全人類血管細胞移植物的可行性。此外，該研究使規模化和標準化製備優質安全的人類細胞治療材料成為可能，為未來的再生醫學提供了一個具有潛力的選項，對發展更加安全有效的臨床細胞治療策略具有深遠意義。

圖3. FOXO3功能增強可延緩血管衰老，增強應激抵抗並防止細胞癌變

劉光慧團隊長期致力於通過基因編輯實現人類遺傳突變靶向矯正及人類細胞遺傳增強的研究，並取得了一系列開拓性的研究成果。包括：利用輔助病毒依賴的腺病毒載體（HDAdV）介導的基因編輯首次實現了人類乾細胞中致病基因突變的高效矯正（Cell Stem Cell 2011）；首次證明了HDAdV和TALEN兩種基因編輯工具的安全性，發展了安全高效的新型基因編輯工具telHDAdV（Cell Stem Cell 2014）；在人類（疾病）乾細胞中修復或編輯了10餘種致病基因突變，並基於此建立了相關疾病研究和藥物篩選平台（Cell 2016，Science 2015，Nature 2012，Nature 2011，Nat Commun 2014，Cell Stem Cell 2011，Cell Res 2016；Protein Cell 2016，Aging Cell 2017）；在經典基因編輯工具TALEN基礎上研發三維基因組動態成像工具TTALE（Cell Res 2017）；利用CRISPR/Cas9建立了世界上首例長壽基因敲除猴模型（Nature 2018）。

本次遺傳增強人類血管細胞的獲得，是繼劉光慧團隊創建國際首例抵抗細胞衰老和癌變的遺傳增強人類乾細胞（Cell Res 2017）（遺傳增強：劉光慧等利用基因編輯獲得「超級」乾細胞【附專家點評】）之後，人類細胞功能增強策略應用於再生醫學研究領域的又一次重大突破。這些研究成果均表明，人類基因組的遺傳密碼可以被創造性改寫，並有望被安全有效地應用於疾病治療。

據悉，該研究工作由中科院生物物理所、中科院動物所、中科院乾細胞與再生創新研究院、北京大學、首都醫科大學宣武醫院等機構合作完成。中科院生物物理所劉光慧研究員、北京大學湯富酬研究員以及中科院動物所曲靜研究員為共同通訊作者。中科院生物物理所碩士研究生顏鵬澤和北京大學博士研究生李晴晴為並列第一作者。

參考文獻：

1、Martins, R., Lithgow, G.J., and Link, W. (2016). Long live FOXO: unraveling the role of FOXO proteins in aging and longevity. Aging Cell 15, 196–207.

2、Pomie` s, P., Louis, H.A., and Beckerle, M.C. (1997). CRP1, a LIM domain protein implicated in muscle differentiation, interacts with alpha-actinin. J. Cell Biol. 139, 157–168

專家點評

蘭雨（暨南大學基礎醫學院研究員）

當今中國正逐步進入老齡化社會，人口老齡化將直接導致衰老相關疾病的高發，這將給我國醫療衛生事業帶來極大的挑戰。將前沿生物技術成果儘快用於機體衰老防治的研究已經成為當今生命科學領域的熱點和前沿。劉光慧/湯富酬/曲靜研究組合作發表在Cell Stem Cell上的論文，以靶向血管保護和抗衰老為目標，通過對胚胎乾細胞中FOXO3基因的兩個核苷酸位點進行基因修飾使其持續活化，發現從而分化而來的血管細胞具有保護血管以及促進血管再生的功能。這是該研究組繼在間充質乾細胞中對NRF2基因進行單個核苷酸編輯改造使持續活化從而使細胞具有抵抗氧化應激以及促進血管再生作用的研究成果後【1】，在血管再生策略研究領域的又一個重要發現。

作者選擇FOXO3這個與長壽相關的進化保守的轉錄因子作為對象，通過在胚胎乾細胞中對其兩個經典磷酸化位點（Ser253和Ser315）的基因修飾,使其定位在細胞核中並持續活化。接下來，作者關注了由基因修飾的胚胎乾細胞分化而來的三種跟血管結構密切相關的細胞類型（血管內皮細胞、血管平滑肌細胞、間充質乾細胞），發現FOXO3持續活化使細胞增殖增加、可抵抗氧化應激誘導的細胞凋亡、延緩細胞衰老。特別是體內功能研究顯示，FOXO3持續活化的血管內皮和平滑肌細胞或者間充質乾細胞的局部注射均可使得下肢缺血模型小鼠的血管新生及血流再灌註明顯改善。進一步機制研究發現FOXO3的活化通過招募SIRT1而抑製了CSRP1的轉錄和表達，從而介導了FOXO3的血管保護作用。最後，研究顯示FOXO3持續活化的間充質乾細胞可抵抗癌基因誘導的腫瘤轉化。

上述研究揭示了FOXO3介導血管保護的機制，對於未來血管再生領域開發安全有效的細胞生物材料提供了重要的理論依據。在這個重要的工作基礎上，進一步了解FOXO3-CSRP1分子軸對於不同類型細胞的抗衰老作用是否具有普適價值則是將來可能的研究方向。此外，血管再生的一個重要命題是動脈化的機制研究【2】，該分子軸是否在血管新生後的動脈化過程中發揮作用值得進一步關注。最後，作者建立的小鼠下肢缺血模型中將間充質乾細胞通過局部注射體內可轉化為血管內皮細胞的發現，也為乾細胞命運可塑性的研究提供了有意思的線索。

製版人：子陽

參考文獻

1. Yang J, et al.,Genetic enhancement in cultured human adult stem cells conferred by a singlenucleotide recoding. Cell Res. 2017 Sep;27(9):1178-1181.

2. Simons M,Eichmann A. Molecular controls of arterial morphogenesis. Simons M, Circ Res.2015 May 8;116(10):1712-24.

BioArt，一心關注生命科學，只為分享更多有種、有趣、有料的資訊。關注投稿、合作、轉載授權事宜請聯繫微信ID：fullbellies 或郵箱：[email protected]