近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组构建了线粒体DNA缺失综合症（MDS，Mitochondrial DNA depletion syndrome）病人特异性的及其CRISPR/Cas9修复的诱导多能干细胞，进而分化高纯度3D肝类器官和2D肝样细胞作为肝脏疾病的联合模型。该研究发现MDS病人肝细胞对铁沉积导致的铁死亡（一种细胞的死亡方式）更为敏感，阐明线粒体溶酶体互作引发铁死亡的病理，并筛选出N-乙酰半胱氨酸（NAC）作为潜在的候选药物。这项研究揭示了线粒体疾病的全新死亡模式、细胞器互作机制和潜在治疗策略，相关成果于3月8日以A combined model of human iPSC-derived liver organoids and hepatocytes reveals ferroptosis in DGUOK mutant mtDNA depletion syndrome发表在Advanced Science（《先进科学》）上。
线粒体是真核生物细胞中最重要的细胞器之一，除了为细胞提供能量外，它还参与调控细胞代谢、氧化应激、细胞死亡等多种生理活动，在细胞生、老、病、死等各方面发挥重要作用。线粒体DNA缺失综合症是由于维持线粒体DNA合成的核基因突变，线粒体DNA含量严重减少，导致多组织器官功能障碍的重大疾病，受累器官通常有肝脏、脑、肌肉等。病理表型具有组织特异性，目前已发现至少9种基因突变会导致MDS。刘兴国课题组在前期工作中报道了丙戊酸诱发Alpers-Huttenlocher综合征（由POLG突变导致的MDS）肝毒性的机理，并建立了相应的候选药物筛选策略，是首次利用诱导多能干细胞（iPSC）技术建立遗传特异的肝细胞毒理学模型，成为解决临床问题的成功范例（Xingguo Liu*, Hepatology, 2015）。此后，在线粒体疾病方向，刘兴国团队进行了持续深入的研究。
DGUOK是脱氧鸟苷激酶，是线粒体内合成嘌呤核苷酸重要的酶，该基因突变是导致肝脑型MDS最常见的遗传背景因素。患者大多出生后1个月内发病，预后极差，通常一年内死于严重肝衰竭，除了肝移植，没有其他有效的治疗方法。肝脏铁沉积是其重要临床表型，血清学检查也显示血清铁蛋白和转铁蛋白升高。肝脏作为人体内主要的铁贮器官，铁过载时肝脏首当其冲成为铁毒性攻击的主要部位。然而铁在这个疾病中起何种作用？相关研究至今一片空白！ DGUOK突变的MDS病人进展如此迅速且严重的肝衰竭病理机制至今尚未解释清楚，更无有效的针对性治疗药物，亟需深入研究，探寻有效治疗手段。
团队为了攻克这一医学难题，将病人皮肤成纤维细胞重编程为iPSC，进行CRISPR/Cas9基因修复，保证了遗传背景的一致性。接着，团队利用高纯度3D肝类器官分化培养技术排除胆管细胞干扰，并结合2D肝样细胞分化技术，建立了一个更为强大可靠的体外肝脏疾病模型。
团队发现病人肝细胞线粒体DNA缺失导致线粒体功能障碍、ATP合成减少、和活性氧（ROS）大增。病人3D肝类器官和2D肝样细胞均对铁沉积导致的铁死亡更敏感。这一铁死亡是线粒体与溶酶体的细胞器互作事件：首先线粒体活性氧激增及谷胱甘肽耗竭，继而核受体共激活因子4（NCOA4）介导铁蛋白在溶酶体中降解，铁蛋白里的铁释放到胞质中，引起脂质过氧化增加，最终导致肝细胞铁死亡。进一步的工作筛选出谷胱甘肽的前体—N-乙酰半胱氨酸（NAC）可以显著抑制病人肝细胞铁死亡。
该研究首次将高纯度3D肝类器官技术应用于遗传性肝病研究，论证了MDS疾病发生铁死亡这一全新病理，揭示了其临床肝脏铁过载的奥秘，并筛选出有效的抑制铁死亡候选药物。更重要的是，不限于MDS，线粒体DNA缺失广泛存在于衰老、退行性疾病和其他遗传性疾病中，所以该发现具有广泛的潜在病理和治疗意义。
本研究与山东大学合作完成，获国家重点研发项目、中科院、国家自然科学基金、广东省和广州市的经费支持。
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线粒体疾病肝细胞的全新铁死亡模式、细胞器互作机制