Alport綜合癥致病基因之COL4A5

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基因基本信息

COL4A5基因研究概況

COL4A5是編碼IV型膠原蛋白的六個(gè)基因之一，這種蛋白膠原肽是細(xì)胞膜的重要基質(zhì)之一。該基因位于X染色體上，長(zhǎng)度超過(guò)20萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)，屬于相對(duì)較大的基因。同時(shí)，其外顯子超過(guò)50個(gè)。該基因的突變有可能導(dǎo)致眼-耳-腎綜合癥，該疾病又被稱(chēng)為Alport綜合癥。

該疾病是一種遺傳性膠原病，由于該基因位于X染色體上，因此遺傳與性別有關(guān)。3種編碼IV型膠原蛋白的基因發(fā)生改變都有可能造成該疾病的發(fā)生，它們分別是編碼α3、α4和α5鏈的COL4A3、COL4A4和COL4A5。這些蛋白的突變會(huì)導(dǎo)致基底膜發(fā)生病變，其中腎臟受損最為明顯，表現(xiàn)為尿血、蛋白尿和腎功能進(jìn)行性下降；其次常伴有神經(jīng)性聽(tīng)力下降和視覺(jué)異常，這是由于患者不同氣管膠原結(jié)構(gòu)異常所導(dǎo)致。這三種基因共同在人群中有1/10 000～1/5000的致病突變攜帶率。

圖1. Alport綜合癥，信息來(lái)源：https://kidneyfailuretreatment.in/alport-syndrome/.

雖然COL4A3和COL4A4都會(huì)引起Aloport綜合癥，但是，由這兩個(gè)基因突變引起的Aloport綜合癥比例只有20%，大部分Alport綜合癥都是由于COL4A5基因突變?cè)斐傻�。其中，涉及到外顯子的突變中有接近一半是錯(cuò)義突變，另外有1/4是移碼突變，此外還有少量的無(wú)義突變和剪切位點(diǎn)突變，其中無(wú)義突變和移碼突變引起的病情最重，發(fā)病也一般較早。通過(guò)對(duì)該基因外顯子突變與臨床信息的關(guān)聯(lián)來(lái)看，該基因外顯子發(fā)生突變會(huì)有超過(guò)70%的致病概率，如果把一些大概率致病的突變也加入進(jìn)來(lái)，則突變致病的概率為84%。

圖2. COL4A5與Alport綜合癥。信息來(lái)源：Clinvar.

2019年，日本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了最新的Alport疾病模型，用同源重組的方法將含有人類(lèi)相應(yīng)突變（R471X）附近的序列通過(guò)sgRNA引導(dǎo)，Cas9切割，ssODN（含突變位點(diǎn)）進(jìn)行修復(fù)等一系列的過(guò)程構(gòu)建了無(wú)義突變的小鼠。造成該蛋白無(wú)法表達(dá)。對(duì)尿液的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)R471X小鼠的蛋白和肌酐水平顯著高于正常組；血液中總蛋白沒(méi)有顯著差異，但是血液中的尿氮和尿肌酐出現(xiàn)明顯的提升。對(duì)6周大的小鼠進(jìn)行免疫組實(shí)驗(yàn)化也發(fā)現(xiàn)了R471X小鼠的腎小管纖維化。

圖3. COL4A5敲除小鼠的構(gòu)建。引自：Hashikami et al. 2019。

圖4. COL4A5敲除小鼠模型的表型。引自：Hashikami et al. 2019.

第二年，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室利用反義寡核苷酸（antisense-oligonucleotide, ASO）對(duì)上述模型（R471X）進(jìn)行了治療，原理是通過(guò)阻止21號(hào)外顯子的翻譯，讓20號(hào)和22號(hào)外顯子直接相連，跳過(guò)無(wú)義突變的區(qū)域。從小鼠4周齡開(kāi)始，4-6周每周兩次皮下注射，7-20周每周注射一次。結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)ASO治療的小鼠的生存狀態(tài)大大好于R471X小鼠，完全達(dá)到了野生型的水平。在體重沒(méi)有明顯區(qū)別的情況下，其尿蛋白/尿肌酐水平大大降低，同時(shí)血液中的各項(xiàng)指標(biāo)也幾乎恢復(fù)到了野生型小鼠的水平。

圖5. 外顯子跳躍示意圖。引自：Yamamura et al. 2020.

圖6. 經(jīng)過(guò)ASO治療的小鼠的生存狀態(tài)大大好于R471X小鼠，完全達(dá)到了野生型的水平。引自：Yamamura et al. 2020.

圖7. 經(jīng)過(guò)ASO治療的小鼠和R471X小鼠表型指標(biāo)。引自：Yamamura et al. 2020.

COL4A5作為X染色體連鎖Alport綜合癥的主要致病基因，一方面需要加強(qiáng)大眾對(duì)該疾病的認(rèn)識(shí)，有相關(guān)癥狀的父母需要進(jìn)行診斷及家族病史追蹤，確認(rèn)是否為該疾病的攜帶者；另一方面也需要基因測(cè)序的成本繼續(xù)降低，才能讓更多的人從源頭上避免該類(lèi)疾病的發(fā)生；此外，即便確診了疾病，目前基因治療技術(shù)的發(fā)展也讓我們不再對(duì)Alport綜合癥完全束手無(wú)策，至少看到了值得為之努力的方向。

作為一家基于模式動(dòng)物的國(guó)際化創(chuàng)新性CRO平臺(tái)，賽業(yè)生物深知罕見(jiàn)病是全人類(lèi)共同面臨的公共健康問(wèn)題，并希望通過(guò)自己在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)助力罕見(jiàn)病基因治療研究。為此，賽業(yè)生物啟動(dòng)了“罕見(jiàn)病基因解碼計(jì)劃”，致力于完善罕見(jiàn)病致病基因數(shù)據(jù)，結(jié)合賽業(yè)生物強(qiáng)大的生物大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)及一站式小鼠模型服務(wù)平臺(tái)和全球客戶共同開(kāi)發(fā)罕見(jiàn)病模型，支持罕見(jiàn)疾病藥物研發(fā)。

在過(guò)去的幾十年里，基因治療在治療遺傳性疾病方面取得了重大進(jìn)展。以基因組學(xué)或蛋白組學(xué)的方式找到致病基因，再結(jié)合細(xì)胞水平或動(dòng)物水平驗(yàn)證，用這種模式產(chǎn)出的高質(zhì)量文章層出不窮。

賽業(yè)生物過(guò)去十年來(lái)，已為數(shù)百課題組提供了數(shù)百種用以驗(yàn)證基因治療療法的基因編輯模式動(dòng)物和病毒包裝服務(wù)。截至2020年底，賽業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)引用文獻(xiàn)總數(shù)達(dá)到4750篇，IF合計(jì)達(dá)20854，文獻(xiàn)被引用次數(shù)累計(jì)25043次，其中不乏Nature、Cell、Science等頂級(jí)期刊。

賽業(yè)生物以助力基因治療的臨床轉(zhuǎn)化為目標(biāo)，深耕基因治療研究領(lǐng)域，可為您提供用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基因編輯動(dòng)物模型和病毒包裝服務(wù)，助您發(fā)表建設(shè)性高分文章，為基因治療研究及臨床轉(zhuǎn)化添磚加瓦。如有需要，歡迎聯(lián)系我們咨詢(xún)。

推薦文獻(xiàn)：

1. Hashikami K, Asahina M, Nozu K, Iijima K, Nagata M, Takeyama M. Establishment of X-linked Alport syndrome model mice with a Col4a5 R471X mutation. Biochem Biophys Rep. 2018;17:81-86. Published 2018 Dec 12. doi:10.1016/j.bbrep.2018.12.003

2. Yamamura T, Horinouchi T, Adachi T, Terakawa M, Takaoka Y, Omachi K, Takasato M, Takaishi K, Shoji T, Onishi Y, Kanazawa Y, Koizumi M, Tomono Y, Sugano A, Shono A, Minamikawa S, Nagano C, Sakakibara N, Ishiko S, Aoto Y, Kamura M, Harita Y, Miura K, Kanda S, Morisada N, Rossanti R, Ye MJ, Nozu Y, Matsuo M, Kai H, Iijima K, Nozu K. Development of an exon skipping therapy for X-linked Alport syndrome with truncating variants in COL4A5. Nat Commun. 2020 Jun 2;11(1):2777. doi: 10.1038/s41467-020-16605-x. PMID: 32488001; PMCID: PMC7265383.

3. Nozu K, Takaoka Y, Kai H, Takasato M, Yabuuchi K, Yamamura T, Horinouchi T, Sakakibara N, Ninchoji T, Nagano C, Iijima K. Genetic background, recent advances in molecular biology, and development of novel therapy in Alport syndrome. Kidney Res Clin Pract. 2020 Dec 31;39(4):402-413. doi: 10.23876/j.krcp.20.111. PMID: 33214343; PMCID: PMC7771000.