Science子刊：利用CRISPR的改进版本揭示促进肺气肿和慢性阻塞性肺病产生的基因

在一项新的研究中，来自美国波士顿大学和波士顿医学中心的研究人员利用CRISPR的改进版本--CRISPR激活（CRISPRa）和CRISPR干扰（CRISPRi）--了解促进肺气肿和慢性阻塞性肺病（COPD）产生的基因的功能。他们通过关闭促进这些疾病发病机制的基因的表达，发现了它们的功能性结果。

相关研究结果发表在2022年7月13日的Science Advances期刊上，论文标题为“CRISPR interference interrogation of COPD GWAS genes reveals the functional significance of desmoplakin in iPSC-derived alveolar epithelial cells”。

论文通讯作者、波士顿医学中心肺部专家、波士顿大学医学院医学副教授Andrew Wilson博士说，“这是第一次在人类诱导性多能干细胞（iPS）中应用CRISPRi和CRISPRa来了解这些基因的功能作用。它让我们更接近了解遗传因素如何有助于导致肺气肿易感性。”

COPD和肺气肿是全世界第三大死亡原因，造成了巨大的疾病负担。肺气肿是一种复杂的遗传性疾病，由一些基因的突变或变体引起，这些基因有助于使一些人比其他人更容易患病。全基因组关联研究（GWAS）已经涉及到越来越多的基因中或附近的变体，但对它们的功能以及它们如何潜在地促进COPD和肺气肿的产生的理解相当有限。

论文第一作者、波士顿医学中心和波士顿大学医学院再生医学中心博士后研究员Rhiannon Werder博士说，“目前还没有开发出新的重要药物制剂来帮助治疗全世界大量受COPD或肺气肿困扰的患者。我们的希望是，这项研究将有助于了解这些疾病的遗传学，提高我们对这些疾病在细胞水平上如何发生的认识，并支持开发新的疗法来治疗这些疾病。”

这些作者利用CRISPR的改进版本设计了一个系统，在iPS细胞中用CRISPRi关闭一个感兴趣的基因的表达，或用CRISPR激活（CRISPRa）过度表达一个感兴趣的基因。他们在培养皿中培养这些细胞，并使它们分化为驻留在肺部中的细胞。所研究的肺部驻留细胞类型被称为2型肺泡上皮细胞（type 2 alveolar epithelial cell, AT2），是肺泡中的祖细胞--肺泡是肺部发生气体交换的部分，是肺气肿中受损的结构。因此，通过了解全基因组关联研究中发现的基因如何影响AT2细胞，他们可以开始了解这些基因可能对影响这些细胞的疾病（如肺气肿）有什么贡献。

利用CRISPRi平台研究COPD GWAS基因概述，图片来自Science Advances, 2022, doi:10.1126/sciadv.abo6566。

一旦产生AT2细胞，这些作者就使用CRISPRi关闭9个不同的在全基因组关联研究中发现的基因的表达，并对其进行分析，以了解这些细胞如何受到影响，尤其是它们的增殖能力，这是它们在应对肺气肿等损伤时需要做到的。他们注意到，关闭一个特定的基因，即编码桥粒斑蛋白（desmoplakin, DSP）的基因，会导致这些细胞增加增殖，并增加与细胞成熟有关的基因的表达。他们发现，在烟雾暴露前关闭DSP表达的AT2细胞比对照细胞在更大程度上关闭了细胞连接（cell junction）基因的表达。这些细胞在形成新集落方面也比对照细胞更好，这是衡量祖细胞功能的一个指标。他们随后观察了从肺上皮细胞中剔除了DSP的小鼠，与具有正常DSP的对照组小鼠进行比较。他们发现，DSP缺失小鼠的AT2细胞在受伤后更容易增殖，这与针对人类iPS细胞衍生的AT2细胞获得的发现一致。

DSP似乎能调节AT2细胞在基线时和与人类疾病相关的损伤（比如烟雾暴露）后的增殖能力。较低水平的DSP表达增加了系统中AT2细胞的增殖能力，可能使它们能够更好地应对损伤。相反，在携带通过在全基因组关联研究中发现的与COPD风险相关的基因变体的AT2细胞中发现较高的DSP表达水平，似乎使这些细胞在烟雾暴露后的增殖能力降低，这可能解释了该基因如何对疾病做出贡献。

参考资料：

Rhiannon B. Werder et al. CRISPR interference interrogation of COPD GWAS genes reveals the functional significance of desmoplakin in iPSC-derived alveolar epithelial cells. Science Advances, 2022, doi:10.1126/sciadv.abo6566.

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