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在一項新的研究中，來自日本京都大學(xué)和神戶大學(xué)的研究人員構(gòu)建出誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）衍生的腎臟類器官來模擬由COL4A5基因突變引起的阿爾波特綜合征（Alport syndrome, AS），并證實一種化學(xué)伴侶（chemical chaperone）在挽救由這種基因突變引起的蛋白錯誤折疊和膠原蛋白錯誤組裝方面的實用性。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Communications Biology期刊上，論文標(biāo)題為“iPSC-derived type IV collagen α5-expressing kidney organoids model Alport syndrome”。論文通訊作者為京都大學(xué)細(xì)胞生長與分化系的Kenji Osafune教授。

據(jù)估計，在美國和歐洲，AS的患病率分別為五千分之一到五萬分之一，而在日本，估計約有1200人患有這種疾病。它是第二種最常見的遺傳性腎小球腎炎（glomerulonephritis），由多個基因（COL4A3、COL4A4 或 COL4A5）突變引起。這些基因所編碼的蛋白在腎小球基底膜（glomerular basement membrane, GBM）中形成一種特殊類型的膠原蛋白（即α3α4α5[IV]膠原蛋白）。這種疾病在生命早期表現(xiàn)為終末期腎病（end-stage renal disease, ESRD）。

遺憾的是，由于缺乏體外模型來推斷和校正AS患者膠原蛋白組裝的缺陷，目前尚無根治性治療方法，它的致病機(jī)制也不完全清楚。

在這項新的研究中，這些作者制造出源自兩名X連鎖AS患者的iPSC，用于制造腎臟類器官。具體來說，他們從一名因 COL4A5 基因 G545D 錯義突變而導(dǎo)致輕度 AS 的患者和另一名因 T552Sfs*6移碼突變（產(chǎn)生截短的膠原蛋白 α5(IV)）而導(dǎo)致重度 AS 的患者身上采集了血液樣本，用于產(chǎn)生 iPSC 進(jìn)行研究。

這些作者還利用CRISPR/Cas9基因組編輯系統(tǒng)逆轉(zhuǎn)了這名輕度AS患者的COL4A5 G545D錯義突變，生成了AS突變得到校正的iPSC細(xì)胞系。根據(jù)之前報道的分化方案并加以一些改進(jìn)，他們通過患者特異性和健康對照iPSC衍生的腎元祖細(xì)胞（nephron progenitor cell）構(gòu)建出腎臟類器官。

值得注意的是，這些作者觀察到，在機(jī)械攪拌下自由浮動培養(yǎng)腎臟類器官有助于促進(jìn)它們的成熟，這是這項新研究的一個關(guān)鍵特征，因為在腎臟發(fā)育過程中，腎小球基底膜的膠原蛋白成分會從α1α1α2（IV）轉(zhuǎn)變?yōu)棣?α4α5（IV）異源三聚體。

因此，這些作者能夠制造出表達(dá)α5(IV)膠原蛋白的腎臟類器官，并在健康的和突變校正后的輕度AS iPSC衍生腎臟類器官的腎小球基底膜樣結(jié)構(gòu)中觀察到膠原蛋白α3α4α5(IV)。不過，與臨床表型相似的是，輕度和重度AS iPSC衍生的腎臟類器官表達(dá)α2（IV）膠原蛋白，但不表達(dá)α5（IV）膠原蛋白。

基于透射電子顯微鏡的進(jìn)一步分析表明，輕度和重度AS腎臟類器官均未顯示出先前在成年AS模型（Col4a5 G5x突變體）小鼠中觀察到的一些特征性腎小球基底膜超微結(jié)構(gòu)異常，這表明要充分顯示這些超微結(jié)構(gòu)變化可能需要進(jìn)一步的成熟。

不過，由于這些腎臟類器官已經(jīng)達(dá)到了再現(xiàn)IV型膠原蛋白同工酶轉(zhuǎn)換的發(fā)育階段，這些作者可以區(qū)分由輕度和重度AS患者特異性iPSC產(chǎn)生的腎臟類器官之間的差異。具體來說，只有在重度AS腎臟類器官中，COL4A5的表達(dá)才會降低，這與在COL4a5突變小鼠中觀察到的COL4A5下調(diào)類似，可能是這種疾病相關(guān)轉(zhuǎn)錄本的無義介導(dǎo)衰變（nonsense-mediated decay, NMD）所致。

圖片來自Communications Biology, 2023, doi:10.1038/s42003-023-05203-4。

然而，導(dǎo)致輕度AS的G545D突變不太可能引發(fā)無義介導(dǎo)衰變，因此在由輕度AS iPSC產(chǎn)生的腎臟類器官中，COL4A5的表達(dá)不受影響。此外，在輕度AS腎臟類器官中檢測到了α3（IV）膠原蛋白，而在模擬重度AS的腎臟類器官中，盡管RNA水平表達(dá)正常，但卻沒有檢測到α3（IV）膠原蛋白。先前的臨床研究已顯示，在癥狀輕微的AS患者體內(nèi)可檢測到α3（IV）或α5（IV）膠原蛋白，這說明這些腎臟類器官可準(zhǔn)確模擬輕度和重度AS病理的多個方面。

膠原蛋白異源三聚體通常在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中組裝，并由高爾基體分泌到細(xì)胞外空間。由蛋白錯誤折疊引起的膠原蛋白組裝缺陷會導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，并引發(fā)未組裝或組裝錯誤的膠原蛋白的自噬降解。

鑒于之前的一項研究已證實化學(xué)伴侶可以通過緩解蛋白錯誤折疊來減少COL4A2突變導(dǎo)致的AS患者原發(fā)性真皮成纖維細(xì)胞中的細(xì)胞內(nèi)膠原蛋白堆積和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，因此這些作者探究了類似的方法是否可以逆轉(zhuǎn)AS COL4A5突變導(dǎo)致的腎臟類器官中觀察到的一些異常。

為了驗證這一點，他們用幾種低分子量的化學(xué)伴侶---4-苯基丁酸（4-PBA）、三甲胺N-氧化物（TMAO）和甘露醇---處理輕度AS腎臟類器官，并在用4-PBA處理的突變型腎小球基底膜樣結(jié)構(gòu)中觀察到α5（IV）膠原蛋白，從而突顯了它作為AS治療的可行治療策略的潛力。

總之，這項新研究成功地構(gòu)建了一種體外疾病模型，再現(xiàn)了AS病理學(xué)的幾個關(guān)鍵方面。有了這種新的實驗系統(tǒng)，科學(xué)家們?nèi)缃窨梢躁U明這種使人衰弱的疾病的詳細(xì)致病機(jī)制，并預(yù)測新型療法的治療效果。

參考資料：

1. Ryuichiro Hirayama et al. iPSC-derived type IV collagen α5-expressing kidney organoids model Alport syndrome. Communications Biology, 2023, doi:10.1038/s42003-023-05203-4.

2. iPSC-derived kidney organoids to model a lifelong renal disease

https://medicalxpress.com/news/2023-10-ipsc-derived-kidney-organoids-lifelong-renal.html