想调整研究方向，获得学术研究突破口？想获得论文选题思路，提高发文命中率？你需要了解学科发展态势和未来走向！赛业生物专栏《Gene of the Week》每周会根据热点研究领域介绍一个基因，详细为您介绍基因基本信息、研究概况和应用背景等，助您保持学术研究敏锐度，提高科学研究效率，期待您的持续关注哦。今天我们要讲的主角是Alport综合症致病基因之一COL4A5。

 

基因基本信息

 

COL4A5基因研究概况

COL4A5是编码IV型胶原蛋白的六个基因之一，这种蛋白胶原肽是细胞膜的重要基质之一。该基因位于X染色体上，长度超过20万个碱基对，属于相对较大的基因。同时，其外显子超过50个。该基因的突变有可能导致眼-耳-肾综合症，该疾病又被称为Alport综合症。

 

该疾病是一种遗传性胶原病，由于该基因位于X染色体上，因此遗传与性别有关。3种编码IV型胶原蛋白的基因发生改变都有可能造成该疾病的发生，它们分别是编码α3、α4和α5链的COL4A3、COL4A4和COL4A5。这些蛋白的突变会导致基底膜发生病变，其中肾脏受损最为明显，表现为尿血、蛋白尿和肾功能进行性下降；其次常伴有神经性听力下降和视觉异常，这是由于患者不同气管胶原结构异常所导致。这三种基因共同在人群中有1/10 000～1/5000的致病突变携带率。

图1. Alport综合症，信息来源：https://kidneyfailuretreatment.in/alport-syndrome/.

 

虽然COL4A3和COL4A4都会引起Aloport综合症，但是，由这两个基因突变引起的Aloport综合症比例只有20%，大部分Alport综合症都是由于COL4A5基因突变造成的。其中，涉及到外显子的突变中有接近一半是错义突变，另外有1/4是移码突变，此外还有少量的无义突变和剪切位点突变，其中无义突变和移码突变引起的病情最重，发病也一般较早。通过对该基因外显子突变与临床信息的关联来看，该基因外显子发生突变会有超过70%的致病概率，如果把一些大概率致病的突变也加入进来，则突变致病的概率为84%。

图2. COL4A5与Alport综合症。信息来源：Clinvar.

 

2019年，日本实验室构建了Alport疾病模型，用同源重组的方法将含有人类相应突变（R471X）附近的序列通过sgRNA引导，Cas9切割，ssODN（含突变位点）进行修复等一系列的过程构建了无义突变的小鼠。造成该蛋白无法表达。对尿液的检测发现R471X小鼠的蛋白和肌酐水平显著高于正常组；血液中总蛋白没有显著差异，但是血液中的尿氮和尿肌酐出现明显的提升。对6周大的小鼠进行免疫组实验化也发现了R471X小鼠的肾小管纤维化。

图3. COL4A5敲除小鼠的构建。引自：Hashikami et al. 2019。

 

图4. COL4A5敲除小鼠模型的表型。引自：Hashikami et al. 2019.

 

第二年，同一个实验室利用反义寡核苷酸（antisense-oligonucleotide, ASO）对上述模型（R471X）进行了治疗，原理是通过阻止21号外显子的翻译，让20号和22号外显子直接相连，跳过无义突变的区域。从小鼠4周龄开始，4-6周每周两次皮下注射，7-20周每周注射一次。结果显示经过ASO治疗的小鼠的生存状态大大好于R471X小鼠，完全达到了野生型的水平。在体重没有明显区别的情况下，其尿蛋白/尿肌酐水平大大降低，同时血液中的各项指标也几乎恢复到了野生型小鼠的水平。

图5. 外显子跳跃示意图。引自：Yamamura et al. 2020.

 

图6. 经过ASO治疗的小鼠的生存状态大大好于R471X小鼠，完全达到了野生型的水平。引自：Yamamura et al. 2020.

 

图7. 经过ASO治疗的小鼠和R471X小鼠表型指标。引自：Yamamura et al. 2020.

 

COL4A5作为X染色体连锁Alport综合症的主要致病基因，一方面需要加强大众对该疾病的认识，有相关症状的父母需要进行诊断及家族病史追踪，确认是否为该疾病的携带者；另一方面也需要基因测序的成本继续降低，才能让更多的人从源头上避免该类疾病的发生；此外，即便确诊了疾病，目前基因治疗技术的发展也让我们不再对Alport综合症完全束手无策，至少看到了值得为之努力的方向。

 

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在过去的几十年里，基因治疗在治疗遗传性疾病方面取得了重大进展。以基因组学或蛋白组学的方式找到致病基因，再结合细胞水平或动物水平验证，用这种模式产出的高质量文章层出不穷。

 

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推荐文献：

1. Hashikami K, Asahina M, Nozu K, Iijima K, Nagata M, Takeyama M. Establishment of X-linked Alport syndrome model mice with a Col4a5 R471X mutation. Biochem Biophys Rep. 2018;17:81-86. Published 2018 Dec 12. doi:10.1016/j.bbrep.2018.12.003

2. Yamamura T, Horinouchi T, Adachi T, Terakawa M, Takaoka Y, Omachi K, Takasato M, Takaishi K, Shoji T, Onishi Y, Kanazawa Y, Koizumi M, Tomono Y, Sugano A, Shono A, Minamikawa S, Nagano C, Sakakibara N, Ishiko S, Aoto Y, Kamura M, Harita Y, Miura K, Kanda S, Morisada N, Rossanti R, Ye MJ, Nozu Y, Matsuo M, Kai H, Iijima K, Nozu K. Development of an exon skipping therapy for X-linked Alport syndrome with truncating variants in COL4A5. Nat Commun. 2020 Jun 2;11(1):2777. doi: 10.1038/s41467-020-16605-x. PMID: 32488001; PMCID: PMC7265383.

3. Nozu K, Takaoka Y, Kai H, Takasato M, Yabuuchi K, Yamamura T, Horinouchi T, Sakakibara N, Ninchoji T, Nagano C, Iijima K. Genetic background, recent advances in molecular biology, and development of novel therapy in Alport syndrome. Kidney Res Clin Pract. 2020 Dec 31;39(4):402-413. doi: 10.23876/j.krcp.20.111. PMID: 33214343; PMCID: PMC7771000.