《Protein & Cell》：Epigenetic editing of the STAT5B promoter attenuates milk nutrient loss in a bovine mastitis cell model
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本刊推荐：针对金黄色葡萄球菌诱导的奶牛乳腺炎导致乳汁营养成分下降这一难题，研究人员开展了通过表观遗传编辑技术靶向激活泌乳基因STAT5B的研究。结果表明，利用dCas9-P300系统编辑STAT5B启动子可有效逆转乳腺炎细胞模型中酪蛋白和甘油三酯的合成抑制，为开发非抗生素依赖的乳腺炎治疗新策略提供了概念验证。
在现代化奶牛养殖业中，乳腺炎犹如悬在养殖户头上的达摩克利斯之剑，特别是由金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）引起的亚临床乳腺炎，不仅导致巨额经济损失，更棘手的是其对抗生素治疗日益增强的耐药性。这种隐形杀手虽不引起明显临床症状，却悄然破坏着乳腺上皮细胞的功能，造成泌乳相关基因表达紊乱，使奶牛即使临床康复后也难以恢复产奶高峰。更令人担忧的是，传统疫苗由于乳腺炎病原菌的多样性往往防护效果有限。面对这一困境，科学家开始将目光投向表观遗传调控这一新前沿。
近日发表在《Protein & Cell》上的研究开创性地将CRISPR/dCas9表观遗传编辑技术应用于奶牛乳腺炎治疗领域。该研究团队主要运用了以下关键技术：首先建立体外乳腺炎模型（使用热灭活金黄色葡萄球菌感染MAC-T细胞和原代牛乳腺上皮细胞），通过细胞活力检测和炎症因子表达分析验证模型可靠性；其次采用CRISPR激活系统（包括dCas9-VPR和dCas9-P300两种表观遗传编辑器），针对泌乳基因启动子设计多重sgRNA策略；最后通过qPCR、Western blot、免疫荧光染色等技术系统评估基因表达和营养成分变化。
建立泌乳细胞分化模型
研究人员首先通过催乳素（PRL）诱导MAC-T细胞分化，成功构建了体外泌乳模型。实验显示10 ng/mL PRL处理能显著促进脂滴积累（图1A-B），提高酪蛋白和甘油三酯水平（图1C）。进一步剂量筛选发现50 ng/mL PRL对牛乳腺上皮细胞（BMECs）的分化效果最佳，该浓度显著上调了脂质合成基因（FASN、ACACA、SCD）和蛋白合成基因（STAT5B、CSN2）的表达（图S3-S7）。
表观遗传编辑激活泌乳基因
团队设计了靶向AKT1、PER2、STAT5A和STAT5B启动子的sgRNA文库（图1E），在MAC-T细胞中，dCas9-VPR成功激活PER2和STAT5A表达，而dCas9-P300特异性激活STAT5B（图1F）。值得注意的是，STAT5B的激活需要多个sgRNA的协同作用，单个sgRNA效果不显著（图S15-19）。功能实验表明STAT5B编辑不仅提升其自身蛋白表达，更显著提高CSN2（β-酪蛋白）水平（图1G），同时增加酪蛋白和甘油三酯合成（图1H）。而在BMECs中，dCas9-P300对PER2和STAT5A的激活效果更佳（图1I），且能促进酪蛋白合成（图1K），展现细胞类型特异性差异。
乳腺炎模型验证与干预
通过热灭活金黄色葡萄球菌感染建立乳腺炎模型，发现MAC-T细胞在感染3小时后即出现活力下降（图2B），炎症因子IL-6、IL-8、IL-1β表达激增（图2D）。特别重要的是，STAT5B表达在感染3小时和24小时后均显著抑制（图2H），且酪蛋白合成能力明显受损（图2F）。表观遗传编辑干预实验显示，dCas9-P300介导的STAT5B激活能有效逆转感染导致的基因表达抑制（图2K），恢复酪蛋白和甘油三酯水平（图2M、O），同时提升CSN2蛋白表达（图2P）。相比之下，STAT5A的编辑未能产生显著改善效果（图2L、N）。
该研究首次证实表观遗传编辑技术可用于逆转乳腺炎导致的营养损失，其中STAT5B作为核心调控因子的地位尤为突出。研究揭示了多重sgRNA设计的协同效应，为优化表观遗传编辑策略提供了重要参考。尽管目前模型仍存在局限性（如使用热灭活细菌未能完全模拟持续感染），但这项研究为开发针对乳腺炎的非抗生素治疗开辟了新途径。未来研究需要进一步验证编辑效果的持久性，并在动物模型中进行功能评估，最终为奶牛养殖业的可持续发展提供创新性解决方案。
