Harvard Medical School 校园建筑与前方草坪
哈佛医学院校园,2022 年(摄影:BQUB22-Eluengo,Wikimedia Commons,CC BY-SA 4.0)(BQUB22-Eluengo / Wikimedia Commons;CC BY-SA 4.0)

3 个基因编码相同蛋白,研究选择性降低 CALM1

CALM1、CALM2 和 CALM3 编码相同的钙调蛋白(calmodulin,CaM)。任一基因的显性致病变异都可能导致严重心律失常。研究者提出:用反义寡核苷酸(antisense oligonucleotide,ASO)降低发生变异的基因表达,能否缓解异常,同时由其余 2 个基因维持钙调蛋白总量?研究先在人源心肌细胞中检验这一思路,再进行小鼠实验。

研究同时测量转录水平、总蛋白、细胞代谢活性和电生理变化,分别评价靶标抑制、候选物选择性及心肌功能。药效评价关注复极异常能否改善,正常功能的检测则用于判断降低 CALM1 后细胞是否受到影响。

患者线与同基因背景模型共同检验复极异常

研究者从 1 位携带 CALM1 F142L 变异、患严重长 QT 综合征的婴儿获得细胞,建立诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌细胞。此外,团队在 WTC11 参考细胞中引入同一变异,并建立同背景的 CALM1 功能缺失线。患者线提供真实遗传背景,工程变异线与野生型之间的比较则有助于观察该变异本身的影响。

在 1 Hz 起搏条件下,变异心肌细胞的场电位、动作电位和钙瞬变持续时间均延长。场电位由多电极阵列(multielectrode array,MEA)记录;动作电位与钙瞬变分别由相应荧光染料进行光学测量。3 个终点对应细胞群体电活动、膜电位变化和钙处理过程。

CALM1 功能缺失线中,CALM3 转录本上调,CALM2 转录本与野生型相近;总钙调蛋白量及上述 3 个功能终点也与野生型相近。转录本变化与总蛋白、功能结果共同支持在本模型中降低 CALM1 的可行性。

转录抑制相近,脱靶表现仍影响候选物选择

团队先在人 A431 细胞系中初筛,选出的 ASO1、ASO3 和 ASO4 半数抑制浓度均低于 500 nM,再转入人源心肌细胞评价。在 1.7 和 5 μM 下,3 者均降低 CALM1 转录本,未显著降低 CALM2 或 CALM3;ASO1 和 ASO4 在 5 μM 时使 CALM1 转录本约减少一半。阴性对照 ASO 在所测浓度范围内未显著改变 3 个基因的转录水平。

RNA 测序进一步区分了候选物。ASO1 和 ASO4 对 CALM1 的影响最突出,脱靶影响较少;ASO3 则影响许多其他转录本,有些变化大于 CALM1。转录抑制效力相近的候选物仍可能具有不同的选择性,筛选因此同时考虑靶标降低幅度与其他基因的变化。

ASO4 处理后,总钙调蛋白量未显著变化。在 1–100 μM 的 ASO 评价条件下,ATP 和 NAD(P)H 相关代谢活性指标也与对照相近。结合选择性和代谢活性结果,研究者最终选用 ASO4 继续做功能实验。

ASO4 改善复极,钙瞬变的恢复程度因模型而异

在 5 μM 的功能实验中,ASO4 缩短了变异心肌细胞的动作电位持续时间,使其与野生型相近;ASO1 或 ASO4 也使场电位持续时间恢复到相近水平。阴性对照 ASO 没有显著改变这些异常,电生理结果支持候选物改善复极。

钙瞬变持续时间同样缩短,但 2 个模型的结果不同:工程变异线处理后仍长于野生型,患者来源线则与野生型难以区分。复极与钙瞬变的恢复程度并不完全一致。

研究者在另一细胞实验中观察到 F142L 突变蛋白稳定性降低,提出部分降低转录本可能使突变蛋白受到较大影响。不过,质谱未能直接测定心肌细胞内突变与正常钙调蛋白的相对丰度。因此,该解释仍是结合间接证据提出的机制判断。

人源药效与小鼠验证回答不同层次的问题

后续小鼠研究采用 Calm1 N98S 变异和针对小鼠基因的 ASO。在诱发心律失常的实验中,较高剂量组 12 只小鼠中有 11 只未出现持续性双向室性心动过速;较低剂量各组均发生持续性事件。人源与小鼠实验涉及不同变异和候选 ASO,药效需在各自模型内判断。

人源 F142L 心肌细胞在 CALM1 转录本约降低一半时即可改善复极,小鼠 N98S 模型则需要超过约 85% 的抑制才防止严重心律失常。作者讨论了心肌细胞成熟度、物种及变异差异对抑制需求的影响。这项研究把患者模型、同背景对照、选择性筛选与功能评价结合起来,同时显示所需抑制程度可能随变异和模型改变。

来源与延伸阅读

  1. Antisense Oligonucleotide Therapy for Calmodulinopathy. Circulation. 2024. doi:10.1161/circulationaha.123.068111 ↗