讓運(yùn)動(dòng)員自帶“興奮劑”的EPOR基因與基因編輯小鼠的應(yīng)用

這幾天，中國(guó)女足、冬奧會(huì)健兒奪冠的視頻和新聞刷爆朋友圈，接連的喜訊讓大家興奮不已，大家激動(dòng)地分享著來(lái)之不易的榮耀！在欣賞運(yùn)動(dòng)員們精彩表現(xiàn)的同時(shí)，你知道這個(gè)讓運(yùn)動(dòng)員自帶“興奮劑”的基因嗎？

1964年，芬蘭運(yùn)動(dòng)員門(mén)蒂蘭塔獲得了兩枚越野滑雪的金牌，賽后的興奮劑檢查顯示他并沒(méi)有服用興奮劑，可血液檢查卻發(fā)現(xiàn)他的血液紅細(xì)胞數(shù)明顯高于正常水平。原來(lái)是他攜帶極罕見(jiàn)的EPO受體（erythropoietin receptor, EPOR）基因突變，讓他對(duì)促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin, EPO）變得超級(jí)敏感，一點(diǎn)EPO就能起很強(qiáng)的作用，從而多制造出25%~50%的紅細(xì)胞。這些額外的紅細(xì)胞為他的肌肉運(yùn)輸了更多的氧氣，他的爆發(fā)力和耐力明顯超過(guò)一般水平，成績(jī)也會(huì)遙遙領(lǐng)先。接下來(lái)，就讓我們一起了解EPOR基因吧。

EPOR基因
EPO是一種糖蛋白，參與紅細(xì)胞發(fā)育成熟。胚胎時(shí)期，EPO由肝臟產(chǎn)生。成年后，EPO由腎小管周?chē)�間質(zhì)細(xì)胞分泌。當(dāng)腎血流氧分壓或氧濃度下降時(shí)，腎臟以氧依賴(lài)的方式增加腎小管周?chē)�間質(zhì)細(xì)胞來(lái)產(chǎn)生更多的EPO。EPO發(fā)揮生物學(xué)活性依賴(lài)于EPO的濃度和EPOR的豐度和類(lèi)型。EPOR基因的表達(dá)在紅細(xì)胞集落形成階段和原始紅細(xì)胞階段最高，隨著細(xì)胞分化，表達(dá)量逐漸減少，在網(wǎng)織紅細(xì)胞、成熟紅細(xì)胞階段無(wú)表達(dá)^[1]。
 

圖1. 促紅細(xì)胞生成素和其他細(xì)胞因子在紅細(xì)胞生成中的作用^[2]。
 

EPOR表達(dá)由GATA-1調(diào)控。EPOR基因的5’端有幾個(gè)潛在的GATA-1結(jié)合位點(diǎn)，GATA-1與EPOR結(jié)合，啟動(dòng)EPOR轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而促進(jìn)紅系細(xì)胞的擴(kuò)增、分化。此外，EPOR基因剪接體的差異表達(dá)也影響機(jī)體對(duì)EPO敏感性。EPOR有兩種形式：一種是分子量為29KDa的可溶性受體（sEPOR），另一種是與胞外結(jié)構(gòu)域相對(duì)應(yīng)的膜型受體（mEPOR），其不同種蛋白的合成是通過(guò)選擇性剪接EPOR mRNA來(lái)實(shí)現(xiàn)的^[1]。

圖2. EPOR蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)^[3]。

與EPOR相關(guān)的疾病包括紅細(xì)胞增多癥、紅白血病。與其相關(guān)的通路包括ERK信號(hào)傳導(dǎo)通路和cAMP介導(dǎo)的PKA通路的激活。與該基因相關(guān)的GO注釋包括EPOR蛋白之間結(jié)合活性和促紅細(xì)胞生成素受體活性^[4]。

Epor基因編輯小鼠

Epor點(diǎn)突變小鼠

該基因上的突變會(huì)影響紅細(xì)胞生成，無(wú)義突變會(huì)導(dǎo)致個(gè)體在胚胎期11-12.5天死于嚴(yán)重貧血。攜帶會(huì)導(dǎo)致紅細(xì)胞生成過(guò)程中輕微變化的截短型突變體的小鼠個(gè)體是可以存活的。擁有人突變基因的小鼠會(huì)產(chǎn)生紅細(xì)胞增多癥，活性較低的突變型會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜病變^[5]。
 

Epor敲除影響胚胎中紅細(xì)胞系的發(fā)育

Epor敲除胚胎能正常發(fā)育到胚胎期9.5天，并且研究人員能在胚胎和卵黃膜中觀察到血細(xì)胞的循環(huán)。組織切片還顯示在胚胎期9.5天，突變型和野生型卵黃囊中的原始紅細(xì)胞數(shù)量相似（圖3B，C）。然而，在胚胎期10.5到12.5天之間，突變型胚胎出現(xiàn)貧血的現(xiàn)象（圖3D，G）并且在胚胎期13.5天時(shí)死亡。在胚胎期10.5天突變型胚胎中的原始血細(xì)胞數(shù)量下降到正常值的14%，到了胚胎期12.5天，下降到正常值的10%，表明在9.5天之后突變型胚胎的增殖出現(xiàn)嚴(yán)重了阻礙，除此之外，早期卵黃囊中原始紅細(xì)胞的形成及釋放到循環(huán)系統(tǒng)的過(guò)程似乎與Epor的存在無(wú)明顯的關(guān)系^[6]。
 

圖3. 在野生型和Epor敲除胚胎中紅細(xì)胞生成的分析^[6]。

（A）胚胎期9.5天的胎兒，箭頭指向的是基因敲除的胚胎；

（B,C）在胚胎期9.5天野生型和突變型的卵黃膜，研究人員在解剖之前固定胚胎和卵黃囊，防止血細(xì)胞損失，可以觀察到，原始紅細(xì)胞的數(shù)量和成熟階段都比較相似；

（D,G）胚胎期11.5天的突變型胚胎（左）和胚胎期11.5天的同窩野生型胚胎（右）在剝?nèi)ヂ腰S膜之前（D）和之后（G）的照片，在突變型的胚胎中觀察到的循環(huán)血細(xì)胞較少；

（E,F）野生型和突變型12.5天胚胎的血細(xì)胞涂片，可以觀察到突變體原始紅細(xì)胞細(xì)胞核正常但細(xì)胞直徑減小。野生型胚胎中的血中包含去核的紅細(xì)胞，而突變型胚胎中的血液中不包含這種紅細(xì)胞；

（H,I）野生型和突變型12.5天胚胎的肝臟切片，突變型胚胎中的紅細(xì)胞樣細(xì)胞的數(shù)量要少很多，并且很多細(xì)胞的細(xì)胞核呈碎片化（箭頭）。

小結(jié)
激素類(lèi)糖蛋白分子促紅細(xì)胞生成素（EPO）及其受體（EPOR）信號(hào)通路是促進(jìn)機(jī)體造血過(guò)程的重要調(diào)控通路，能增加外周血成熟紅細(xì)胞的數(shù)量，促進(jìn)機(jī)體造血功能。EPOR蛋白表達(dá)過(guò)低會(huì)造成貧血的現(xiàn)象，而在小鼠中表達(dá)人的EPOR蛋白可能會(huì)造成紅細(xì)胞增多癥。除此之外，更前沿的研究也也指出，該基因可能在心臟的發(fā)育中和免疫炎癥的調(diào)控中，有著重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

1. 馬婕. 慢性高原病骨髓紅系造血細(xì)胞凋亡變化及其信號(hào)通路研究[D]. 青海大學(xué).

2. Gaperi J ,  Kristan A ,  Kunej T , et al. Erythrocytosis: genes and pathways involved in disease development[J].  2020.

3. Lin CS, Lim SK, D'Agati V, Costantini F. Differential effects of an erythropoietin receptor gene disruption on primitive and definitive erythropoiesis. Genes Dev. 1996 Jan 15;10(2):154-64. doi: 10.1101/gad.10.2.154. PMID: 8566749.