利用CRISPR基因編輯方法在斑馬魚建立人類疾病模式：以Nodal mutation為範例

Abstract

"兩側右心房症(Right Atrial isomerism, RAI)為異位綜合症(Heterotaxy syndrome)的一種，是在台灣有特別高的發生機率複雜型先天心臟疾病。在胚胎發育時期，左右不對稱的過程發生了問題，使得身體的兩側皆發育成類似於右側的器官。病患有兩個右心房，沒有左心房，另外常合併有單一心室，右心室雙出口，肺靜脈回流異常，心內膜墊缺損和心律不整等問題。 儘管在台灣有較高的發生機率，這一類病患背後的遺傳訊息仍然很少被研究，我們和台大醫院小兒科林銘泰醫師合作，林醫師團隊將臨床病患檢體運用NGS (Next generation sequencing)的技術分析，已從46名RAI病患中發現了新的Nodal基因突變(R307Q)。 Nodal是轉化生長因子(TGF-β) subfamily的成員，在胚胎原腸化(gastrulation)過程中為調節中胚層和內胚層特化的誘導信號，在左右不對稱發育中扮演重要的角色。另外也參與了神經外胚層前後軸線的分化。不同於哺乳動物，斑馬魚有兩個Nodal 基因(ndr1、ndr2)，轉譯成兩個蛋白質： Nodal-related 1 (NDR1)和Nodal-related 2 (NDR2)，產生的Nodal信號會使囊胚期動物極邊緣細胞發育成中胚層和內胚層。這兩個蛋白質發生突變可能會導致Nodal信號途徑(Nodal signaling pathway)發生異常，從而影響斑馬魚胚胎發育左右不對稱決定過程發生異常，造成心臟畸形或缺陷等症狀。 為了研究Nodal基因突變(R307Q)和臨床上表現型有何關聯，我們使用CRISPR-Cas9的系統將Nodal(R307Q) knock in在斑馬魚模式動物上。不同於一般CRISPR系統，我們選擇使用Cas9 Nickase而非Cas9 Nuclease，利用Cas9 Nickase來進行基因編輯，需要兩個gRNA而不是一個。這兩個gRNA將被設計在相反的DNA strand上且緊密接近，序列相距不能超過20bp，以確保一旦兩條strand被Cas9 Nickase切開時，DNA double strand才斷開。這種配對的Cas9 Nickase比起Nuclease減少了脫靶效應(off-targeting)，因為兩個gRNA需要一起作用才能將DNA double strand斷開，後續同源介導的雙鏈DNA修復(homology directed repair)路徑將被激活以完成基因編輯過程。 在備製CRSPR系統中做為Donor DNA的質體中，除了要knock in進入的Nodal-related 1 (R307Q)片段外，在Exon 3還附帶綠色的螢光標記蛋白(Hu-Cr-IRES-GFP)並且在兩側加入含有gRNA辨識切位的oilgomers來做斑馬魚轉殖實驗。 在我實驗中可以發現NDR1有表現的位置大致分佈在脊索、神經管和尾部等地方，將斑馬魚魚卵運用microinjection技術注入CRSIPR-Cas9系統(gRNA、Donor DNA and Cas9 Nickase)來基因轉殖斑馬魚，約三天後可以觀察到魚眼睛水晶體內有綠色螢光表現，頭部腦後神經管以及尾部都有螢光訊號發現。除此之外F0有觀察斑馬魚會有畸形的情形發生，包括心臟也有不正常looping的表現。 未來實驗F1可以比較有成功knock in斑馬魚和wild type斑馬魚心臟形態差異，計算心跳數作為是否有心律不整的比較等，並試著成功將斑馬魚養大配種成穩定的品系(stable line)，當作人類兩側右心房症(Right Atrial isomerism, RAI)疾病的動物模型(animal model)。"