通过体内Htra2基因编辑预防小鼠获得性感觉神经性听力损失

Prevention of acquired sensorineural hearing loss in mice by in vivo Htra2 gene editing

作者信息Xi Gu, Daqi Wang, Zhijiao Xu, Jinghan Wang, Luo Guo, Renjie Chai, Genglin Li, Yilai Shu, Huawei Li
PMID33752742
发布时间2021-03-22
DOI10.1186/s13059-021-02311-4

实验完整度

高

包含体外细胞实验、耳蜗外植体实验、体内动物实验及功能验证,涵盖基因编辑效率检测、毛细胞存活和凋亡分析、听功能评估等多层证据。

主要模型

HEI-OC1细胞 小鼠耳蜗外植体 C57BL/6J小鼠 ICR小鼠

重点核对

Htra2基因的gRNA序列:Sp-g1 GCC TAG CGG GGA TAC TTA TG,Sp-g2 CTG CAG AAC ACG ATC ACA TC,Sp-g3 CGC GAT GCA GAA ACT CCC TA AAV载体:AAV2/Anc80L65,用于递送CRISPR/Cas9系统 体内注射:P1小鼠,经耳蜗鼓阶注射0.5 μl病毒,SpCas9系统混合比例2:1,SaCas9系统同样0.5 μl 新霉素剂量:P11开始皮下注射200 mg/kg,连续7天 ABR测试频率:4, 8, 16, 24, 32 kHz

摘要

背景:衰老、噪声、感染和耳毒性药物是人类获得性感觉神经性听力损失的主要原因,但治疗选择有限。CRISPR/Cas9技术有望成为获得性非遗传性感觉神经性听力损失的新治疗方式。在此,我们开发了CRISPR/Cas9策略,通过破坏内耳中参与细胞凋亡但尚未在耳蜗毛细胞保护中研究的Htra2基因,来预防氨基糖苷类药物诱导的耳聋,这是一种常见的获得性非遗传性感觉神经性听力损失。结果:结果表明,腺相关病毒(AAV)介导的CRISPR/SpCas9系统递送可改善新霉素诱导的细胞凋亡,促进毛细胞存活,并显著改善新霉素处理小鼠的听力功能。AAV–CRISPR/Cas9系统在体内的保护作用可持续至新霉素暴露后8周。为了更有效地递送整个CRISPR/Cas9系统,我们还探索了AAV–CRISPR/SaCas9系统来预防新霉素诱导的耳聋。SaCas9系统的体内编辑效率平均为1.73%。我们观察到,与未注射的耳朵相比,注射耳朵的听觉脑干反应阈值显著改善。新霉素暴露后4周,AAV–CRISPR/SaCas9系统的保护作用仍然明显,在8 kHz处听觉脑干反应阈值改善高达50 dB。结论:这些发现证明了通过Htra2基因编辑安全有效地预防氨基糖苷类药物诱导的耳聋,并支持CRISPR/Cas9技术在治疗非遗传性听力损失以及其他非遗传性疾病中的进一步开发。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
破坏Htra2基因能否预防氨基糖苷类药物诱导的耳聋?
核心机制
Htra2编码促凋亡线粒体丝氨酸蛋白酶Omi/HtrA2,通过结合并降解XIAP增强caspase活性,参与线粒体凋亡途径。敲除Htra2可减少毛细胞凋亡,保护听力。
主要证据
体外实验显示AAV介导的SpCas9系统降低HEI-OC1细胞Htra2编辑效率,减少新霉素诱导的毛细胞凋亡;体内实验显示SpCas9和SaCas9系统均可改善ABR阈值,提高毛细胞存活。
研究意义
证明了CRISPR/Cas9介导的凋亡相关基因敲除可预防耳毒性耳聋,为治疗非遗传性听力损失及其他非遗传性疾病提供新策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

体外筛选gRNA

筛选高效的gRNA以破坏Htra2基因

在HEI-OC1细胞中转染SpCas9和gRNA,48小时后分选GFP阳性细胞,培养7天后检测插入缺失频率和蛋白表达。

2

体外验证病毒转导效率

评估Anc80L65在毛细胞中的转导效率

使用Anc80L65-EGFP感染耳蜗外植体和体内注射,通过免疫荧光检测转导阳性毛细胞比例。

3

体外验证SpCas9系统保护效果

检测Anc80L65–SpCas9系统是否减少新霉素诱导的毛细胞凋亡

耳蜗外植体培养后,先转导SpCas9系统8天,再用新霉素处理,检测毛细胞数量和caspase-3表达。

4

体内验证SpCas9系统效果

评估Anc80L65–SpCas9系统在体内的保护作用

P1 ICR小鼠鼓阶注射SpCas9系统,P11开始新霉素处理,2周后检测毛细胞存活和ABR阈值。

5

SaCas9系统设计与验证

开发更高效的单一AAV递送系统

设计SaCas9系统gRNA,在HEI-OC1细胞中筛选,然后体内注射验证编辑效率和保护效果。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
DMEM培养基Gibco11965092
胎牛血清Gibco16140071
青霉素/链霉素Millipore516106
Lipofectamine 2000转染试剂Life Technologies11668019
Opti-MEM培养基Life Technologies31985062
QuickExtract DNA提取液EpicentreQE09050
凝胶DNA提取试剂盒VazymeDC301
RIPA裂解液Protein BiotechnologyPP109
蛋白酶抑制剂混合物Roche11697498001
PVDF膜GE Healthcare Life Sciences10600023
脱脂奶粉Cell Signaling Technology9999S
抗HtrA2/Omi抗体Cell Signaling Technology9745
抗β-actin抗体Cell Signaling Technology8457s
ECL发光液MeilunbioMA0186
QIAquick PCR纯化试剂盒Qiagen28104
MiSeq高通量DNA测序仪Illumina--
DMEM/F12培养基Gibco11330032
N2补充剂Gibco17502048
B27补充剂Gibco17504044
新霉素SigmaN6386
抗Myo7a抗体Proteus BioSciences25-6790
抗GFP抗体Abcamab13970
抗活化caspase3抗体Cell Signaling Technology9664S
抗Myo7a抗体(小鼠)Santa Cruz Biotechnologysc-74516
抗HTRA2抗体Sigma-AldrichSAB4501221
DAPISigmaD9542
Leica TCS SP8激光共聚焦显微镜Leica--
ImageJ软件----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
基因编辑系统构建
gRNA序列、Cas9类型(SpCas9或SaCas9)、PAM序列
阅读提示:Methods中“Construction of the Cas9 and sgRNA expression plasmids”
细胞培养与转染
HEI-OC1细胞培养条件、转染试剂及用量、质粒比例
阅读提示:Methods中“Cell culture and transfection”
病毒包装与转导
AAV血清型、包装方法、病毒滴度、感染复数
阅读提示:Methods中“Viral vector preparation”和“Cochlear explant culture, application of viral vectors, and the in vitro neomycin damage model”
体外新霉素损伤模型
新霉素浓度、处理时间、恢复时间
阅读提示:Methods中“Cochlear explant culture, application of viral vectors, and the in vitro neomycin damage model”
体内注射
小鼠品系、年龄、注射途径、注射体积、病毒滴度
阅读提示:Methods中“Microinjection of AAV vectors into the inner ear and the in vivo neomycin damage model”
体内新霉素处理
给药剂量、途径、开始时间、持续时间
阅读提示:Methods中“Microinjection of AAV vectors into the inner ear and the in vivo neomycin damage model”
听力测试
ABR和DPOAE的测试参数、麻醉方案
阅读提示:Methods中“Auditory testing”