讓運動員自帶“興奮劑”的EPOR基因與基因編輯小鼠的應用

這幾天，中國女足、冬奧會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，大家激動地分享著來之不易的榮耀！在欣賞運動員們精彩表現的同時，你知道這個讓運動員自帶“興奮劑”的基因嗎？

1964年，芬蘭運動員門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有服用興奮劑，可血液檢查卻發現他的血液紅細胞數明顯高于正常水平。原來是他攜帶極罕見的EPO受體（erythropoietin receptor, EPOR）基因突變，讓他對促紅細胞生成素（erythropoietin, EPO）變得超級敏感，一點EPO就能起很強的作用，從而多制造出25%~50%的紅細胞。這些額外的紅細胞為他的肌肉運輸了更多的氧氣，他的爆發力和耐力明顯超過一般水平，成績也會遙遙領先。接下來，就讓我們一起了解EPOR基因吧。

EPOR基因
EPO是一種糖蛋白，參與紅細胞發育成熟。胚胎時期，EPO由肝臟產生。成年后，EPO由腎小管周圍間質細胞分泌。當腎血流氧分壓或氧濃度下降時，腎臟以氧依賴的方式增加腎小管周圍間質細胞來產生更多的EPO。EPO發揮生物學活性依賴于EPO的濃度和EPOR的豐度和類型。EPOR基因的表達在紅細胞集落形成階段和原始紅細胞階段最高，隨著細胞分化，表達量逐漸減少，在網織紅細胞、成熟紅細胞階段無表達^[1]。
 

圖1. 促紅細胞生成素和其他細胞因子在紅細胞生成中的作用^[2]。
 

EPOR表達由GATA-1調控。EPOR基因的5’端有幾個潛在的GATA-1結合位點，GATA-1與EPOR結合，啟動EPOR轉錄，進而促進紅系細胞的擴增、分化。此外，EPOR基因剪接體的差異表達也影響機體對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），另一種是與胞外結構域相對應的膜型受體（mEPOR），其不同種蛋白的合成是通過選擇性剪接EPOR mRNA來實現的^[1]。

圖2. EPOR蛋白結構預測^[3]。

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

Epor基因編輯小鼠

Epor點突變小鼠

該基因上的突變會影響紅細胞生成，無義突變會導致個體在胚胎期11-12.5天死于嚴重貧血。攜帶會導致紅細胞生成過程中輕微變化的截短型突變體的小鼠個體是可以存活的。擁有人突變基因的小鼠會產生紅細胞增多癥，活性較低的突變型會導致視網膜病變^[5]。
 

Epor敲除影響胚胎中紅細胞系的發育

Epor敲除胚胎能正常發育到胚胎期9.5天，并且研究人員能在胚胎和卵黃膜中觀察到血細胞的循環。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胞數量相似（圖3B，C）。然而，在胚胎期10.5到12.5天之間，突變型胚胎出現貧血的現象（圖3D，G）并且在胚胎期13.5天時死亡。在胚胎期10.5天突變型胚胎中的原始血細胞數量下降到正常值的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嚴重了阻礙，除此之外，早期卵黃囊中原始紅細胞的形成及釋放到循環系統的過程似乎與Epor的存在無明顯的關系^[6]。
 

圖3. 在野生型和Epor敲除胚胎中紅細胞生成的分析^[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，防止血細胞損失，可以觀察到，原始紅細胞的數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）在剝去卵黃膜之前（D）和之后（G）的照片，在突變型的胚胎中觀察到的循環血細胞較少；

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

（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胞樣細胞的數量要少很多，并且很多細胞的細胞核呈碎片化（箭頭）。

小結
激素類糖蛋白分子促紅細胞生成素（EPO）及其受體（EPOR）信號通路是促進機體造血過程的重要調控通路，能增加外周血成熟紅細胞的數量，促進機體造血功能。EPOR蛋白表達過低會造成貧血的現象，而在小鼠中表達人的EPOR蛋白可能會造成紅細胞增多癥。除此之外，更前沿的研究也也指出，該基因可能在心臟的發育中和免疫炎癥的調控中，有著重要的作用。

參考文獻：

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

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.