近日，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉興國(guó)課題組構(gòu)建了線粒體DNA缺失綜合癥（MDS，Mitochondrial DNA depletion syndrome）病人特異性的及其CRISPR/Cas9修復(fù)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，進(jìn)而分化高純度3D肝類器官和2D肝樣細(xì)胞作為肝臟疾病的聯(lián)合模型。該研究發(fā)現(xiàn)MDS病人肝細(xì)胞對(duì)鐵沉積導(dǎo)致的鐵死亡（一種細(xì)胞的死亡方式）更為敏感，闡明線粒體溶酶體互作引發(fā)鐵死亡的病理，并篩選出N-乙酰半胱氨酸（NAC）作為潛在的候選藥物。這項(xiàng)研究揭示了線粒體疾病的全新死亡模式、細(xì)胞器互作機(jī)制和潛在治療策略，相關(guān)成果于3月8日以A combined model of human iPSC-derived liver organoids and hepatocytes reveals ferroptosis in DGUOK mutant mtDNA depletion syndrome發(fā)表在Advanced Science（《先進(jìn)科學(xué)》）上。 

　　線粒體是真核生物細(xì)胞中最重要的細(xì)胞器之一，除了為細(xì)胞提供能量外，它還參與調(diào)控細(xì)胞代謝、氧化應(yīng)激、細(xì)胞死亡等多種生理活動(dòng)，在細(xì)胞生、老、病、死等各方面發(fā)揮重要作用。線粒體DNA缺失綜合癥是由于維持線粒體DNA合成的核基因突變，線粒體DNA含量嚴(yán)重減少，導(dǎo)致多組織器官功能障礙的重大疾病，受累器官通常有肝臟、腦、肌肉等。病理表型具有組織特異性，目前已發(fā)現(xiàn)至少9種基因突變會(huì)導(dǎo)致MDS。劉興國(guó)課題組在前期工作中報(bào)道了丙戊酸誘發(fā)Alpers-Huttenlocher綜合征（由POLG突變導(dǎo)致的MDS）肝毒性的機(jī)理，并建立了相應(yīng)的候選藥物篩選策略，是首次利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）技術(shù)建立遺傳特異的肝細(xì)胞毒理學(xué)模型，成為解決臨床問題的成功范例（Xingguo Liu*, Hepatology, 2015）。此后，在線粒體疾病方向，劉興國(guó)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了持續(xù)深入的研究。 

　　DGUOK是脫氧鳥苷激酶，是線粒體內(nèi)合成嘌呤核苷酸重要的酶，該基因突變是導(dǎo)致肝腦型MDS最常見的遺傳背景因素?；颊叽蠖喑錾?個(gè)月內(nèi)發(fā)病，預(yù)后極差，通常一年內(nèi)死于嚴(yán)重肝衰竭，除了肝移植，沒有其他有效的治療方法。肝臟鐵沉積是其重要臨床表型，血清學(xué)檢查也顯示血清鐵蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白升高。肝臟作為人體內(nèi)主要的鐵貯器官，鐵過載時(shí)肝臟首當(dāng)其沖成為鐵毒性攻擊的主要部位。然而鐵在這個(gè)疾病中起何種作用？相關(guān)研究至今一片空白！ DGUOK突變的MDS病人進(jìn)展如此迅速且嚴(yán)重的肝衰竭病理機(jī)制至今尚未解釋清楚，更無有效的針對(duì)性治療藥物，亟需深入研究，探尋有效治療手段。 

　　團(tuán)隊(duì)為了攻克這一醫(yī)學(xué)難題，將病人皮膚成纖維細(xì)胞重編程為iPSC，進(jìn)行CRISPR/Cas9基因修復(fù)，保證了遺傳背景的一致性。接著，團(tuán)隊(duì)利用高純度3D肝類器官分化培養(yǎng)技術(shù)排除膽管細(xì)胞干擾，并結(jié)合2D肝樣細(xì)胞分化技術(shù)，建立了一個(gè)更為強(qiáng)大可靠的體外肝臟疾病模型。 

　　團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)病人肝細(xì)胞線粒體DNA缺失導(dǎo)致線粒體功能障礙、ATP合成減少、和活性氧（ROS）大增。病人3D肝類器官和2D肝樣細(xì)胞均對(duì)鐵沉積導(dǎo)致的鐵死亡更敏感。這一鐵死亡是線粒體與溶酶體的細(xì)胞器互作事件：首先線粒體活性氧激增及谷胱甘肽耗竭，繼而核受體共激活因子4（NCOA4）介導(dǎo)鐵蛋白在溶酶體中降解，鐵蛋白里的鐵釋放到胞質(zhì)中，引起脂質(zhì)過氧化增加，最終導(dǎo)致肝細(xì)胞鐵死亡。進(jìn)一步的工作篩選出谷胱甘肽的前體—N-乙酰半胱氨酸（NAC）可以顯著抑制病人肝細(xì)胞鐵死亡。 

　　該研究首次將高純度3D肝類器官技術(shù)應(yīng)用于遺傳性肝病研究，論證了MDS疾病發(fā)生鐵死亡這一全新病理，揭示了其臨床肝臟鐵過載的奧秘，并篩選出有效的抑制鐵死亡候選藥物。更重要的是，不限于MDS，線粒體DNA缺失廣泛存在于衰老、退行性疾病和其他遺傳性疾病中，所以該發(fā)現(xiàn)具有廣泛的潛在病理和治療意義。 

　　本研究與山東大學(xué)合作完成，獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省和廣州市的經(jīng)費(fèi)支持。 

　　論文鏈接

　　線粒體疾病肝細(xì)胞的全新鐵死亡模式、細(xì)胞器互作機(jī)制