CRISPR/Cas9を介した代謝経路のリプログラミングが原発性高酸素尿症1型を改善する

CRISPR/Cas9-mediated metabolic pathway reprogramming in a novel humanized rat model ameliorates primary hyperoxaluria type 1.

• Rui Zheng
• Yueyan Li
• Liren Wang
• Xiaoliang Fang
• Junqi Zhang
• Lei He
• Lei Yang
• Dali Li
• Hongquan Geng

抄録

原発性高オキサ尿症Ⅰ型は、アラニングリオキシル酸アミノトランスフェラーゼ遺伝子（AGXT）の変異によって引き起こされ、グリオキシル酸の蓄積とそれに続くシュウ酸の産生と尿石症を引き起こす。ここで、我々は、CRISPR/Cas9システムを用いて、部分的にヒト化されたAgxt遺伝子のD205N変異を有する原発性高オキサ尿症I型ラットモデルを作製した。このAgxtD205N変異ラットは、検出不能なアラニングリオキシル酸アミノトランスフェラーゼ蛋白質発現を示し、生後1ヶ月で高酸素尿を発症し、エチレングリコール負荷後に重度のシュウ酸カルシウム沈着を示した。このことから、本研究で得られた新規モデルは、既存の動物モデルよりもヒトの疾患との関連性が高いことが示唆された。このモデルが革新的な治療法の開発に使用できるかどうかを検証するために、グリコール酸のグリオキシル酸への代謝に関与するヒドロキシ酸オキシダーゼ1を標的としたSaCas9を、アデノ随伴ウイルスベクターを介して原発性高酸素排尿症1型の新生ラットに送達した。この方法では、肝臓のHao1遺伝子に30%近くのインデルが生成され、治療群では対照群に比べて尿中シュウ酸塩濃度が42%低下し、原発性高酸素尿症1型ラットが重度の腎石灰化症に陥るのを少なくとも12ヶ月間防ぐことができました。以上の結果から、この部分的にヒト化したAgxtD205Nラット株は、病態解明やゲノム編集による代謝経路の再プログラミングなどの新規治療法の開発のための一次性高酸素尿症1型の高機能モデルであることが明らかになりました。

Primary hyperoxaluria type I is caused by mutations in the alanine glyoxylate aminotransferase gene (AGXT), leading to accumulation of glyoxylate and subsequent production of oxalate and urolithiasis. Here, we generated a novel rat model of primary hyperoxaluria type I that carries a D205N mutation in the partially humanized Agxt gene through the CRISPR/Cas9 system. The AgxtD205N mutant rats showed undetectable alanine glyoxylate aminotransferase protein expression, developed hyperoxaluria at 1 month of age and exhibited severe renal calcium oxalate deposition after ethylene glycol challenge. This suggests our novel model is more relevant to the human disease than existing animal models. To test whether this model could be used for the development of innovative therapeutics, SaCas9 targeting hydroxyacid oxidase 1, responsible for metabolizing glycolate into glyoxylate, was delivered via adeno-associated viral vectors into newborn rats with primary hyperoxaluria type 1. This approach generated nearly 30% indels in the Hao1 gene in the liver, leading to 42% lower urine oxalate levels in the treated group than in the control group and preventing the rats with primary hyperoxaluria type 1 from undergoing severe nephrocalcinosis for at least 12 months. Thus, our results demonstrate that this partially humanized AgxtD205N rat strain is a high-performing model of primary hyperoxaluria type 1 for understanding pathology, and the development of novel therapeutics, such as reprogramming of the metabolic pathway through genome editing.

Copyright © 2020. Published by Elsevier Inc.