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广州生物院等利用人肝类器官发现线粒体疾病的铁死亡新病理

  中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员刘兴国课题组与山东大学科研人员合作,构建了线粒体DNA缺失综合症(MDS,Mitochondrial DNA depletion syndrome)病人特异性的及其CRISPR/Cas9修复的诱导多能干细胞,进而分化高纯度3D肝类器官和2D肝样细胞作为肝脏疾病的联合模型。研究发现,MDS病人肝细胞对铁沉积导致的铁死亡(一种细胞的死亡方式)更为敏感,阐明线粒体溶酶体互作引发铁死亡的病理,并筛选出N-乙酰半胱氨酸(NAC)作为潜在的候选药物。该研究揭示了线粒体疾病的全新死亡模式、细胞器互作机制和潜在治疗策略,相关研究成果以A combined model of human iPSC-derived liver organoids and hepatocytes reveals ferroptosis in DGUOK mutant mtDNA depletion syndrome为题发表在Advanced Science上。

  线粒体是真核生物细胞中最重要的细胞器之一,除了为细胞提供能量外,还参与调控细胞代谢、氧化应激、细胞死亡等多种生理活动,在细胞生、老、病、死等各方面发挥重要作用。线粒体DNA缺失综合症是由于维持线粒体DNA合成的核基因突变,线粒体DNA含量严重减少,导致多组织器官功能障碍的疾病,受累器官通常有肝脏、脑、肌肉等。病理表型具有组织特异性,目前已发现至少9种基因突变会导致MDS。刘兴国课题组在前期工作中报道了丙戊酸诱发Alpers-Huttenlocher综合征(由POLG突变导致的MDS)肝毒性的机理,并建立了相应的候选药物筛选策略,是首次利用诱导多能干细胞(iPSC)技术建立遗传特异的肝细胞毒理学模型,成为解决临床问题的成功范例(Xingguo Liu*, Hepatology, 2015)。此后,刘兴国课题组在线粒体疾病方向进行了持续深入的研究。

  DGUOK是脱氧鸟苷激酶,是线粒体内合成嘌呤核苷酸重要的酶,该基因突变是导致肝脑型MDS最常见的遗传背景因素。肝脏铁沉积是其重要临床表型,血清学检查也显示血清铁蛋白和转铁蛋白升高。肝脏作为人体内主要的铁贮器官,铁过载时肝脏首当其冲成为铁毒性攻击的主要部位。然而尚无研究揭示铁在这个疾病中起何种作用,DGUOK突变的MDS病人进展如此迅速且严重的肝衰竭病理机制尚未清楚,亟需深入研究,探寻有效治疗手段。

  基于此,科研人员将病人皮肤成纤维细胞重编程为iPSC,进行CRISPR/Cas9基因修复,保证了遗传背景的一致性。随后,科研人员利用高纯度3D肝类器官分化培养技术排除胆管细胞干扰,并结合2D肝样细胞分化技术,建立了一个更为强大可靠的体外肝脏疾病模型。研究发现,病人肝细胞线粒体DNA缺失导致线粒体功能障碍、ATP合成减少、和活性氧(ROS)大增。病人3D肝类器官和2D肝样细胞均对铁沉积导致的铁死亡更敏感。这一铁死亡是线粒体与溶酶体的细胞器互作事件:线粒体活性氧激增及谷胱甘肽耗竭,继而核受体共激活因子4(NCOA4)介导铁蛋白在溶酶体中降解,铁蛋白里的铁释放到胞质中,引起脂质过氧化增加,最终导致肝细胞铁死亡。进一步的工作筛选出谷胱甘肽的前体—N-乙酰半胱氨酸(NAC)可以显著抑制病人肝细胞铁死亡。

  该研究首次将高纯度3D肝类器官技术应用于遗传性肝病研究,论证了MDS疾病发生铁死亡的新病理,揭示出其临床肝脏铁过载的机制,并筛选出有效抑制铁死亡候选药物。此外,线粒体DNA缺失广泛存在于衰老、退行性疾病和其他遗传性疾病中,因此该研究具有广泛的潜在病理和治疗意义。研究工作得到国家重点研发计划、中科院、国家自然科学基金、广东省和广州市的支持。

  论文链接

  

线粒体疾病肝细胞的全新铁死亡模式、细胞器互作机制