Jinn-Yuh Guh
Nephrology
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6 min readJun 19, 2020

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如果我有一把剪刀

舊的衛道中學

我初中在唸台中市的衛道中學時,覺得印象最深刻的是校園中修剪整齊的樹木。

當時我很好奇到底是哪一個園丁做的,後來才知道原來是教書和當舍監的加拿大籍神父修士們的傑作。當時有一個教我們工藝課的石伯男修士,他也帶我們的勞動服務課。他經常帶著我們這群小屁孩在豔陽下拔草、撿樹枝、搬石頭、撿垃圾還兼打人。但是他最厲害的還是用一把剪刀熟練地修剪樹木,以及把道路兩旁的灌木叢剪成方塊狀。

剪刀手愛德華

「剪刀手愛德華」描述一個擁有剪刀手的年輕人,他能把樹木修剪得多彩多姿,也能製作精美的冰雕。

在聖誕節來臨時,房東的女兒在雪花中翩翩起舞,於是他與她經歷了一場刻骨銘心的愛情:「我想用我的雙手把她緊緊地擁在懷中,哪怕只有一次。如果我從來沒有品嘗過溫暖的感覺,也許我不會這樣寒冷。如果我從來不曾離開過我的房間,我就不會知道我原來是這樣的孤獨」。

「秘密花園」說:「如果你用正確的方法去看,你會發現這個世界就是ㄧ座花園。…無時無刻都是一個公主-即使別人都不知道,是一個更大的勝利」,你會發現這個世界就是ㄧ座花園,只要你無時無刻都是一個尋找剪刀的園丁。

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16605-x

想不到分子生物中也有剪刀手:DNA 轉錄成 mRNA 前體之後的修飾之一是剪接:將內含子移除及合併外顯子形成 mRNA,然後翻譯產生蛋白質。在這個過程中,絲胺酸/精胺酸(SR)蛋白質與 mRNA 前體序列中的外顯子剪接增強子(ESE)相結合以聚集剪接體並辨識外顯子。

皮膚、腎絲球、眼睛、內耳的耳蝸中都有第四型膠原蛋白 COL4。成人腎絲球基底膜(GBM)中的 COL4 是由足細胞分泌的 α3(COL4A3)、α4(COL4A4)、α5(COL4A5)鏈形成的,每一條 α 鍊都有一個 N 端的 7S 域、一個中間的膠原域和一個 C 端的非膠原域(例如:NC1)。膠原域由於有甘氨酸-X-X(甘氨酸-脯氨酸-羥脯胺酸)所以會形成三螺旋,非膠原域則是形成三聚體。成人 GBM 中的 COL4 是由 α3α4α5 形成的,兩個 α3α4α5 三螺旋會連接成四聚體、二聚體或以側邊交接,然後再形成網絡。

https://d16qt3wv6xm098.cloudfront.net/QPui3LOcQ7Or1OHCDPSvZLX2QRqDDbPf/_.jpg

亞伯氏症中,性聯遺傳佔 80%。這是因為 COL4A5 基因在某些外顯子的無義突變(提早產生終止密碼子,結果產生較短的蛋白質)以致產生缺乏 NC1 的 COL4A5 蛋白質,造成 GBM 中的 COL4 無法形成三螺旋以及後續的超分子三級結構。

亞伯氏症的發生率是 5 萬分之一,佔兒童慢性腎臟病(CKD)的 3%、成人洗腎病人的 0.2%,這是第二常見的遺傳性腎臟病(僅次於多囊腎)。病人的症狀是漸進性(高頻)神經性聽力喪失、眼睛圓錐形晶狀體、兒童血尿、兒童蛋白尿、高血壓、CKD、末期腎病(平均是 25 歲)。診斷是腎臟切片:光學顯微鏡是非特異性的,可能只是局部節段性腎絲球硬化症(FSGS),因此確診是要用電子顯微鏡看見局部 GBM 變薄/變厚或分層。亞伯氏症目前沒有任何特異性的治療。

目前臨床上有兩種反義寡核苷酸(ASO)能讓基因在剪接時跳過無義突變的外顯子。第一種是治療脊髓性肌萎縮症(SMA)的 Spinraza(Nusinersen,藥費每年約 900 萬元),它能降低 SMN2 mRNA 在剪接中被截斷的機會。SMA 是缺乏 SMN1 基因的體染色體隱性遺傳病,新生兒發病率是萬分之一。

第二種是治療杜興氏肌肉營養不良症(性聯遺傳病,由於 DMD 基因外顯子 51 的無義突變以致缺乏 DMD 蛋白質。男嬰發病率是萬分之二)的 Eteplirsen(對 14% 的病人有效,藥費每年約 900 萬元),它讓 DMD mRNA 在剪接時跳過外顯子 51,因此能產生有功能的蛋白質。

日本神戶大學的野津寛大在 2020 年發現 COL4A5 mRNA 剪接處框內缺失突變(核苷酸缺失是三的倍數)的亞伯氏症病人比較晚變成末期腎病。因此他猜想用 ASO 讓 COL4A5 mRNA 在剪接時跳過無義突變的外顯子可能是有效的治療。

於是他設計了一個 ASO 讓 COL4A5 mRNA 產生框內缺失突變以便在剪接時跳過無義突變的外顯子 21。結果發現用 ASO 治療的 COL4A5 能形成三螺旋,而且用 ASO 治療亞伯氏症的小鼠(COL4A5 的外顯子 21 截斷突變)能改善腎臟病理表現,也能降低血清肌酸酐、延長生命。這個成功的故事提示我們或許也能用其他的基因編輯技術來敲除 COL4A5 中無義突變的外顯子。

以前的基因編輯技術既複雜又費時,後來有了比較方便的鋅指核酸酶(ZFN)及類轉錄活化因子核酸酶(TALEN)技術。它們都是利用非同源性末端接合於基因體中產生 DNA 的雙鏈斷裂以利剪輯的。

2012 年時,美國加州大學柏克萊分校的 Jennifer Doudna 利用相同的原理發明了原核細胞的 CRISPR/Cas9(常間回文重複序列叢集關聯蛋白系統)技術,接著美籍華人張鋒(麻省理工學院的神經生物學家)在 2013年發明了簡單方便的真核細胞 CRISPR/Cas9 技術。據說張鋒在 12 歲看「侏羅紀公園」時,老師觀察到他對恐龍及生物工程表現出超乎尋常的興奮和興趣。

你可以說張鋒是一個基因剪刀手。「如果我沒有剪刀,我就不能保護妳。 如果我有剪刀,我就不能擁抱妳」(「剪刀手愛德華」)。

如果我有一把剪刀,或許我就能保護亞伯氏症的病人。

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Jinn-Yuh Guh
Nephrology

台灣、高雄、教授、高血壓、糖尿病、腎臟病、統計學、資料、藝術、繪畫、音樂、科學、文學、哲學,Nephrologist, professor, data science, Chinese, Taiwan, science, literature, paintings, music, art, philosophy