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耗时35年!NEJM最新成果破解罕见“家族血液之谜”

2018/06/11 来源:生物探索
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导读
20世纪70年代末,一名情况不明的高血红蛋白水平(hemoglobin level,Hb)的男子被送到了挪威Namsos医院,随后该男子的四位家庭成员也被诊断出患有此病。作为这个家庭的治疗医生,Kjell Kanelønning彻底检查了患者及其家人,但始终未发现病因。直到35年后CRISPR技术的出现,这种家族性血液疾病的病因才最终被破解。

Dr. Anders Waage (left) and Dr. Anders Sundan, both with the Norwegian University of Science and Technology, played a critical role in understanding how a Norwegian family could have such high hemoglobin levels. Credit: NTNU

“正常的Hb值在12.5到17之间(即每100毫升血液中血红蛋白的克数),而患有这种疾病的人Hb值在20左右。这一数值远远超过了兴奋剂的限制(服用兴奋剂的主要判断指标为血液中血红蛋白含量的升高)。”挪威科技大学临床与分子医学系教授Anders Waage介绍到。

Waage也是一名医生, 90年代初,当他在St. Olavs医院见到这个来自Trøndelag县的家庭时,便决定介入到这个故事中。通过检测,Waage发现,患者家庭成员既未吸毒也未生病,且有一半的家庭成员出生时就有这种情况。

之后,更多的研究人员开始对这个病例感兴趣,其中包括奥斯陆大学医院的Bernt Ly。1983年,他和kanelloning等人写了一篇关于这一现象的科学文章。Waage回忆道:“现在看来,他们当时跟踪的所有线索都是死路一条,根本无法检查出任何东西。”

随着时间一点点的流逝,Waage接连下令进行新的测试和调查,但都没有找到线索。研究人员开始不断质问自己接下来将会发生什么。

恰逢当时,一名芬兰滑雪者出现在医学文献中,他在世锦赛和奥运会上都获得了几块金牌。测试显示他的血红蛋白水平为22,当时这一现象只能用兴奋剂来解释。但是,当芬兰医生对滑雪者的其他家庭成员进行检查时,他们发现其中30多人的Hb水平均超过20。

90年代末,医学方法有所改进后,研究人员发现,芬兰家庭中的促红细胞生成素(EPO) 激素受体有一种先天突变,导致该受体一直处于兴奋状态(尽管EPO并不与受体结合)。这导致红细胞过度产生,血液中Hb含量增加。至此,科学家们证实这种情况是先天性的,并将其称为家族性红细胞增多症。尽管具有同样的高Hb结果,但显然,这不是由注入血液兴奋剂而导致的。

对Waage来说,芬兰家庭的研究意味着,挪威Trøndelag的家庭可能最终找到了谜底。“我们可以用与芬兰人一样的方法,1998年,一篇硕士论文写了这个案例。这名学生观察了挪威家庭中的EPO受体,以确定其突变是否与芬兰家庭相似。”他说。

“但答案是否定的。学生什么也没发现,我们又回到了原地。”这项研究的共同负责人Anders Sundan说。

Waage和Sundan承认,当时他们感到有点泄气了。由于这对家庭来说并未产生很大的影响,因此没有人再去努力推动这项研究。加之当时也没有新的方法,研究人员除了等待好像也并没有其他解决方法了。

一点发现

时间推至2004年,Waage参加了欧洲血液学协会(European Hematology Association)年会。在那里,他听取了巴塞尔大学的Radek C. Skoda教授的发言。随后,Waage与Skoda取得联系,讨论了Trøndelag的家庭问题。Skoda对这一现象很感兴趣,他们进行了接触。在接下来的几年里,他们收集了更多的信息,并交换了新的数据和观点。

随着新千年的第一个十年里方法、测试和分析工具的不断改进,2008年,这项研究终于有了突破。研究人员发现:在所有受血红蛋白水平增加影响的家庭成员中,基因组的有限区域是相同的。这个区域包含215个被测序的基因。让所有人惊讶的是,他们发现了EPO基因的突变。Hb值高的家庭成员都有突变,而Hb值正常的家庭成员没有突变。这项发现指出了EPO本身的一个错误。

想要更多

在这一发现之后,该项目又中断了一段时间。“我们本可以满足于找到导致这种情况的突变,即EPO基因的突变是家族性红细胞增多症的原因。这样的新发现本身就很有趣了,但仍有一个悬而未决的问题在困扰我们。”研究人员指出。

他们预计,这种突变可能会导致功能受损。那么这一切是怎么联系在一起的呢?这也是他们要继续解释的。一个可能的答案或许正在慢慢成熟,但由于缺乏方法,回答这一问题仍并不容易。

福音来临

2016年,Waage收到了Skoda博士的电子邮件,信中说他做了大量分子工作且取得了很好的成果。随着CRISPR基因编辑技术的出现,研究人员可以自由剪切和粘贴DNA片段并创建新的基因序列了。

研究小组做的第一件事就是将突变插入一个产生EPO的细胞中——果然,当突变插入时,细胞产生的EPO是原来的10倍,当EPO含量增加时,红细胞生成增加,血红蛋白值升高。最终,他们找到了正确的突变。

好奇心驱使

Waage说:“35年来,这项研究一直受到好奇心的驱使。四代受影响的家庭成员增加了Hb升高或正常的人的数量,使找到与突变之间的联系更容易。但最重要的是,这一时期技术的巨大进步使我们有可能证明突变确实导致了Hb水平的升高。”

独特的家庭之稀有生物

那么,这样的研究在超出这类家庭之外到底有何意义呢?显然,这一发现具有转移价值,有助于解释其他疾病的相应突变变化。“这是自相矛盾的,在这种病因下,一个碱基的丢失却导致了产量的增加。”Waage说。

“25年后,我们发现了导致这种情况的突变;35年后,我们可以解释为什么这种突变会导致红细胞生成增加。这一路上,我们遇到了一位芬兰滑雪者,加速了我们寻找答案的步伐。这是一次坎坷而有趣的旅程,所幸最终获得了回报。” Waage说,“至此,Trøndelag血液之谜也正式宣布告破。”

以上成果以“A Gain-of-Function Mutation in EPO in Familial Erythrocytosis”为题,发表在顶级医学期刊New England Journal of Medicine杂志上。

影响健康?

对于受影响的家庭成员来说,这种突变不会导致疾病,但可能会引发一种常见的头痛症状,而该症状可通过传统的放血进行治疗。一旦过量的血液被清除,他们就会感觉良好。

那么他们的体质怎么样呢?让科研人员感到奇怪的是,出生时Hb水平就高的患者与通过兴奋剂使Hb水平升高的人是不同的。毫无疑问,用额外的EPO增加Hb水平对于提高健康水平是非常有效的。但是,出生时就拥有高水平EPO和 Hb的人并没有获得额外的健康促进效果。

责编:艾曼

参考资料:

Family blood mystery solved

A Gain-of-Function Mutation in EPO in Familial Erythrocytosis

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