廣州健康院利用人肝類器官發現線粒體疾病的鐵死亡全新病理
近日，中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院劉興國課題構建了線粒體DNA缺失綜合癥（MDS，Mitochondrial DNA depletion syndrome）病人特異性的及其CRISPR/Cas9修復的誘導多能干細胞，進而分化高純度3D肝類器官和2D肝樣細胞作為肝臟疾病的聯合模型。該研究發現MDS病人肝細胞對鐵沉積導致的鐵死亡（一種細胞的死亡方式）更為敏感，闡明線粒體溶酶體互作引發鐵死亡的病理，并篩選出N-乙酰半胱氨酸（NAC）作為潛在的候選藥物。這項研究揭示了線粒體疾病的全新死亡模式、細胞器互作機制和潛在治療策略，相關成果于3月8日以A combined model of human iPSC-derived liver organoids and hepatocytes reveals ferroptosis in DGUOK mutant mtDNA depletion syndrome發表在Advanced Science（《先進科學》）上。
線粒體是真核生物細胞中最重要的細胞器之一，除了為細胞提供能量外，它還參與調控細胞代謝、氧化應激、細胞死亡等多種生理活動，在細胞生、老、病、死等各方面發揮重要作用。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含量嚴重減少，導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，目前已發現至少9種基因突變會導致MDS。劉興國課題組在前期工作中報道了丙戊酸誘發Alpers-Huttenlocher綜合征（由POLG突變導致的MDS）肝毒性的機理，并建立了相應的候選藥物篩選策略，是首次利用誘導多能干細胞（iPSC）技術建立遺傳特異的肝細胞毒理學模型，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，劉興國團隊進行了持續深入的研究。
DGUOK是脫氧鳥苷激酶，是線粒體內合成嘌呤核苷酸重要的酶，該基因突變是導致肝腦型MDS最常見的遺傳背景因素。患者大多出生后1個月內發病，預后極差，通常一年內死于嚴重肝衰竭，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，血清學檢查也顯示血清鐵蛋白和轉鐵蛋白升高。肝臟作為人體內主要的鐵貯器官，鐵過載時肝臟首當其沖成為鐵毒性攻擊的主要部位。然而鐵在這個疾病中起何種作用？相關研究至今一片空白！DGUOK突變的MDS病人進展如此迅速且嚴重的肝衰竭病理機制至今尚未解釋清楚，更無有效的針對性治療藥物，亟需深入研究，探尋有效治療手段。
團隊為了攻克這一醫學難題，將病人皮膚成纖維細胞重編程為iPSC，進行CRISPR/Cas9基因修復，保證了遺傳背景的一致性。接著，團隊利用高純度3D肝類器官分化培養技術排除膽管細胞干擾，并結合2D肝樣細胞分化技術，建立了一個更為強大可靠的體外肝臟疾病模型。
團隊發現病人肝細胞線粒體DNA缺失導致線粒體功能障礙、ATP合成減少、和活性氧（ROS）大增。病人3D肝類器官和2D肝樣細胞均對鐵沉積導致的鐵死亡更敏感。這一鐵死亡是線粒體與溶酶體的細胞器互作事件：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）介導鐵蛋白在溶酶體中降解，鐵蛋白里的鐵釋放到胞質中，引起脂質過氧化增加，最終導致肝細胞鐵死亡。進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胞鐵死亡。
該研究首次將高純度3D肝類器官技術應用于遺傳性肝病研究，論證了MDS疾病發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，所以該發現具有廣泛的潛在病理和治療意義。
本研究與山東大學合作完成，獲國家重點研發項目、中科院、國家自然科學基金、廣東省和廣州市的經費支持。
線粒體疾病肝細胞的全新鐵死亡模式、細胞器互作機制
