《自然-医学》：拯救贝多芬！改良CRISPR-Cas9将为耳聋带来精准基因疗法

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根据世界卫生组织的数据，全世界有4.66亿人患残疾性听力损失，相当于平均不到20人中就有1人丧失听力。遗传造成的听力损失还是新生儿最常见的残疾之一。基因编辑技术的问世，为治疗基因缺陷引起的遗传性耳聋带来了前所未有的希望。

最近，哈佛医学院和波士顿儿童医院的一支联合研究团队，利用优化的CRISPR-Cas9基因编辑系统，在耳聋小鼠模型上精确识别并修正内耳的致聋突变，帮助小鼠留住听力。这一概念验证的完成有望为众多遗传性耳聋患者带来安全的基因编辑疗法。研究成果日前发表在学术期刊《自然-医学》。

贝多芬小鼠

在我们的耳朵深处，也就是被称为内耳的部分，有一类“毛细胞”，它们分布在内耳表面，形状如一丛丛鬃毛，在听觉中发挥重要作用。

耳鼻喉科教授Jeffrey Holt和转化医学科学教授David Corey领导的研究小组过去发现，毛细胞要行使传导听觉信号的功能，离不开一种叫作TMC1的蛋白。当编码TMC1蛋白的基因发生突变，毛细胞会逐渐退化和死亡，导致听力丧失。某些遗传性耳聋患者在10~15岁开始逐渐失聪、到25岁左右完全丧失听力，正是因为TMC1基因突变。

▲David Corey教授（左）和Jeffrey Holt教授（右）（图片来源： Michael Goderre，波士顿儿童医院）

科学家发现TMC1基因后，利用同样的突变构建了一种疾病模型小鼠，希望在此基础上研究疾病的治疗方法。这些基因突变小鼠会在出生一段时间后逐渐损失听力，到“青壮年”时完全失聪。科学家们给这种疾病模型起名为“贝多芬小鼠”，因为它们表现出的病程正与大音乐家贝多芬经历的进行性听力丧失相似。不过，顺便一提，贝多芬失聪的真正原因仍没有定论。

精确找到30亿分之一

和TMC1突变的耳聋患者一样，贝多芬小鼠体内的Tmc1基因仅仅出现了“一点”小错误：在来自父母双方的两个基因拷贝中，一个Tmc1出现突变就会致聋；而突变的DNA序列，仅仅是一个碱基发生了变化。

想要通过基因疗法修正DNA错误，用研究者的话说，意味着他们的基因编辑系统需要成功地在小鼠基因组的30亿个碱基字母中找出一个错误的字母。

为了精确定位贝多芬小鼠的错误基因拷贝，同时不影响正常基因，研究团队在经典CRISPR-Cas9系统的基础上进行改良，分别对引导分子gRNA和内切酶Cas9都做了优化。细胞实验中的初步检验表明，优化后的CRISPR-Cas9工具能在Tmc1基因的两个拷贝中准确区分突变版本和正常版本。

随后，研究人员通过腺相关病毒（AAV）载体将基因疗法递送到小鼠内耳。

▲在贝多芬小鼠出生后进行基因编辑治疗，并在此后数十周内评估疗法对疾病发展的影响（图片来源：参考资料[1]）

DNA分析的结果显示，基因编辑活性只局限于在贝多芬小鼠的内耳细胞。而对正常小鼠做同样的“治疗”，没有在内耳细胞中检测到任何编辑变化，说明这种疗法没有干扰正常的基因功能，进一步说明了该工具的特异性。

研究人员在显微镜下观察了小鼠内耳的毛细胞。不出所料，在未经治疗的贝多芬小鼠中，毛细胞随着结构的恶化逐渐消失；相比之下，接受治疗后的小鼠，保留了正常数量的毛细胞，结构完整或近乎完整。

▲正常毛细胞，贝多芬小鼠未经治疗时的毛细胞，经过治疗的毛细胞（图片来源: Carl Nist-Lund and Jeffrey Holt）

内耳毛细胞的结构得到挽救后确实能起到改善听力的作用吗？科学家们通过“听性脑干反应（ABR）”检查了小鼠的听力。这种测试方法检查不同强度声音刺激下的脑电波反应，意味着内耳中听觉细胞捕获到声音后把信号传到了大脑。这也是新生儿听力筛查的常用方法。

在不治疗的情况下，贝多芬小鼠通常在1个月大时就开始对高频声音反应降低，6个月大时完全失聪。相比之下，出生后不久就接受基因编辑疗法的小鼠，在2个月时与健康小鼠的听力几乎没有差别；到6个月大时，对低频声音的听力仍保持正常，有些甚至对高频声音的反应也接近健康小鼠。更令人鼓舞的是，有一部分经过治疗的贝多芬小鼠，在此后的近一年里保持了稳定的听力！

▲经过治疗的贝多芬小鼠几乎可以和正常小鼠一样听到低至30分贝左右的声音，相当于我们低声耳语的响度（图片来源：参考资料[1]）

在人们非常关注的安全性上，这种疗法的表现也值得一提。科学家们给没有携带缺陷基因的小鼠施用疗法后，小鼠没有因此遭受任何听力损失。

在这项研究的最后，为测试该疗法在遗传性失聪患者上的治疗潜力，科学家们在一系列携带TMC1突变的人类细胞系上进行了实验。DNA分析显示，只有突变拷贝会被编辑，同一个细胞中的正常拷贝不会受影响。

▲经过优化的CRISPR-Cas9特异性靶向人类TMC1突变细胞中的单个碱基突变（图片来源：参考资料[1]）

从这些结果来看，研究团队带来的新CRISPR-Cas9工具“大大提高了标准基因编辑技术的有效性和安全性”。但他们也提醒，即便是像这样已经高度精确的基因编辑疗法，在用于人类之前仍有大量工作需要做。

由于这种方法能够靶向单个点突变，受益的将不仅仅是TMC1突变造成的遗传性耳聋患者，由其他听觉基因单突变造成的15种遗传性耳聋也都有望通过这种方法得到治疗。这样的进展无疑令人期待！“我们相信，这些结果打开了一扇大门，由基因单拷贝缺陷造成的一系列遗传疾病都可以在此基础上开发靶向治疗。”Holt教授说，“这真的是精准治疗。”

贝多芬本人没有亲耳听过《欢乐颂》，而精准的基因编辑疗法正在接近治愈疾病的目标，为众多耳聋患者带来一曲欢乐颂。

参考资料

[1] Bence Gyorgy et al., (2019) Allele-specific gene editing prevents deafness in a model of dominant progressive hearing loss. Nature Medicine. DOI: 10.1038/s41591-019-0500-9

[2] Vreugde, S. et al. (2002) Beethoven, a mouse model for dominant, progressive hearing loss DFNA36. Nature Genetic

[3] Pan, B. et al. (2018) TMC1 forms the pore of mechanosensory transduction channels in vertebrate inner ear hair cells. Neuron.

[4] The Hearing Molecule. Retrieved Jul 4, 2019 from https://hms.harvard.edu/news/saving-beethoven

[5] Deafness and hearing loss. Retrieved Jul 5, 2019, from https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/deafness-and-hearing-loss

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