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Nature:利用原核转移技术改善线粒体替代疗法,有望降低线粒体疾病传递风险

来源:生物谷 2016-06-09 20:55

2016年6月9日/生物谷BIOON/--一种改进的将来自女性卵母细胞的核DNA转移到供者卵母细胞的方法可能导致人们开发出一种更加有效的线粒体替代疗法(mitochondrial replacement therapy, MRT),这可能能够降低将线粒体DNA(mitochondria DNA, mtDNA)疾病传递给后代的风险。MRT---一种修饰的产生有“三个生父母(three-parent)”的后代的体外受精技术---有望让携带缺陷性mtDNA的女性生下她们自己的小孩,同时没有将母体遗传性线粒体疾病传递给后代的风险。但是当前转移母体核DNA的方法仍然让其中的一些有缺陷的线粒体搭便车进入供者卵子中。

在一项新的涉及来自64名女性供者的500多个卵子的研究中,来自英国纽卡斯尔大学等机构的研究人员报道他们改进了这种原核转移技术,增加有活力的受精卵产生的数量,同时降低与核DNA一起转移到供者卵子中的缺陷性线粒体的数量。相关研究结果于2016年6月8日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Towards clinical application of pronuclear transfer to prevent mitochondrial DNA disease”。

美国哥伦比亚大学和纽约干细胞基金会再生医学专家Dieter Egli(未参与这项研究)说,“这是一项非常美妙的精心安排的研究,它改进了原核转移技术。”

美国加州大学戴维斯分校干细胞研究员Paul Knoepfler(未参与这项研究)对此表示赞同。“研究人员能够将原核转移技术优化到线粒体遗留数量不再是一个常见问题的程度”,他告诉《科学家》杂志,“但是,我们在未来需要更多这种类型的数据以便理清MRT的发展方向。”

一种MRT方法是将母体卵母细胞的细胞核转移到供者含有健康线粒体的去核卵母细胞中,随后进行受精。另一种方法,也是当前这项研究使用的方法,是将刚进行过受精的卵子中的精子和卵母细胞的原核---这些原核还没有时间进行融合和形成受精卵---进行转移。在之前的一项研究中,利用具有异常原核数量的胚胎,来自纽卡斯尔大学的Mary Herbert和她的团队已证实在人胚胎中进行用于MRT的原核转移是可行的。但是那项研究只使用异常受精的胚胎(含有更少的或两个以上的原核),因此,对当前的这项研究而言,研究人员测试了对来自正常受精胚胎的原核进行转移是否会导致有活力的携带健康线粒体的胚泡(blastocyst)产生。

Herbert告诉《科学家》杂志,对原核进行转移更不可能导致染色体数量减少,这是因为基因组是包被在细胞膜中的。“我们能够通过机械手段移除这些原核中过多的细胞质,但是在转移[卵母细胞纺锤体]时,我不情愿采用机械手段。”

通过调整原核转移时间,研究人员发现更早地进行原核转移(在受精大约8小时后)导致体外受精卵更有效地存活。改变某些转移条件---在卵母细胞去核期间不添加蔗糖和使用冻存的而不是新鲜的病人卵母细胞---导致将近50%的样品在胚泡中没有检测到有缺陷的线粒体。在产生的所有有三个生父母的受精卵中,共有79%的受精卵在核转移后残留不到2%发生突变的线粒体。

研究人员随后获得来自这些胚泡---命中注定发育成胚胎---内细胞团的5种胚胎干细胞系并进行传代培养以便测试发生突变的线粒体是否能够在这些胚胎干细胞中定植,以及在与健康的线粒体竞争时是否能够潜在地胜出。他们发现一种胚胎干细胞系初始残留4%发生突变的mtDNA,在这种胚胎干细胞系中,发生突变的线粒体与供者线粒体的比率在传代培养时增加了,这提示着mtDNA不稳定性能够发生。

上周,Egli和同事们在Cell Stem Cell期刊上发表一篇标题为“Genetic Drift Can Compromise Mitochondrial Replacement by Nuclear Transfer in Human Oocytes”的论文(doi:10.1016/j.stem.2016.04.001)中,利用一种略微不同的技术,支持以下的一种观点:即便少量的发生突变的线粒体也能够增殖并且变成细胞中最为代表性的线粒体形式。

Herbert在讨论她的团队的研究时,说道,“简单地说,这意味着[我们的]技术可能在所有情形下并不是100%有效地阻止发生突变的mtDNA传递。”

Herbert说,英国的人类受孕与胚胎学管理局(Human Fertilization and Embryology Authority)将复审这项研究以便确定用于MRT的原核转移是否应当在诊所中使用。

Herbert告诉《科学家》杂志,“我们的研究的下一阶段将聚焦于进一步降低发生突变的mtRNA有可能再次出现的风险。”

Knoepfler和Egli都说道,他们认为这种技术目前还不适合在诊所中使用。

根据Knoepfler的说法,总是有可能将一些线粒体与母体卵细胞核一起传递给后代的风险。“细胞的内部就像是含有一堆相互缠绕的筋和纤维的吉露果子冻(Jell-O),因此,我认为我们不可能从细胞中取出单个细胞器而不会让一些细胞质粘附在它上面”,他说,“还需讨论的关键问题是在临床上,多么少的线粒体残留是足够安全地开展这种技术。”

简言之,Egli说,“在这些技术能够在诊断使用之前,还需开展更多的研究。”(生物谷 Bioon.com)

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Towards clinical application of pronuclear transfer to prevent mitochondrial DNA disease

doi:10.1038/nature18303

Louise A. Hyslop, Paul Blakeley, Lyndsey Craven, Jessica Richardson, Norah M. E. Fogarty, Elpida Fragouli, Mahdi Lamb, Sissy E. Wamaitha, Nilendran Prathalingam, Qi Zhang, Hannah O’Keefe, Yuko Takeda, Lucia Arizzi, Samer Alfarawati, Helen A. Tuppen, Laura Irving, Dimitrios Kalleas, Meenakshi Choudhary, Dagan Wells, Alison P. Murdoch, Douglass M. Turnbull, Kathy K. Niakan & Mary Herbert

Mitochondrial DNA (mtDNA) mutations are maternally inherited and are associated with a broad range of debilitating and fatal diseases1. Reproductive technologies designed to uncouple the inheritance of mtDNA from nuclear DNA may enable affected women to have a genetically related child with a greatly reduced risk of mtDNA disease. Here we report the first preclinical studies on pronuclear transplantation (PNT). Surprisingly, techniques used in proof-of-concept studies involving abnormally fertilized human zygotes2 were not well tolerated by normally fertilized zygotes. We have therefore developed an alternative approach based on transplanting pronuclei shortly after completion of meiosis rather than shortly before the first mitotic division. This promotes efficient development to the blastocyst stage with no detectable effect on aneuploidy or gene expression. After optimization, mtDNA carryover was reduced to <2% in the majority (79%) of PNT blastocysts. The importance of reducing carryover to the lowest possible levels is highlighted by a progressive increase in heteroplasmy in a stem cell line derived from a PNT blastocyst with 4% mtDNA carryover. We conclude that PNT has the potential to reduce the risk of mtDNA disease, but it may not guarantee prevention.

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