碱基编辑显示出治疗镰状细胞病的潜在优势

改变血红蛋白基因的基因疗法可能是治疗镰状细胞病(SCD)和β地中海贫血的答案。这两种常见的危及生命的贫血症困扰着全球数百万人。圣裘德儿童研究医院以及麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的科学家们使用下一代基因组编辑技术——腺苷碱基编辑，重新启动 SCD 患者细胞中的胎儿血红蛋白表达。与在人类造血干细胞中使用 CRISPR/Cas9 核酸酶的其他基因组编辑技术相比，该方法将胎儿血红蛋白的表达提高到更高、更稳定和更均匀的水平。研究结果发表在今天的《自然遗传学》杂志上。

SCD 和 β 地中海贫血是影响数百万人的血液疾病;编码成人版携氧分子血红蛋白的基因突变会导致这些疾病。恢复发育中胎儿中活跃的替代血红蛋白亚基的基因表达先前已显示出对 SCD 和 β 地中海贫血患者的治疗益处。研究人员希望找到并优化基因组技术来编辑胎儿血红蛋白基因。通过腺苷碱基编辑进行的一项改变对于恢复出生后红细胞中胎儿血红蛋白的表达特别有效。

“我们证明碱基编辑可以显着提高胎儿血红蛋白水平，”主要通讯作者、圣裘德治疗基因组工程组主任Jonathan Yen博士说。“现在，我的治疗基因组工程团队已经在努力工作，开始优化碱基编辑，以将这项技术应用于临床。”

血红蛋白是关键

成人血红蛋白主要在出生后表达，包含四个蛋白质亚基——两个β-珠蛋白和两个α-珠蛋白。β-珠蛋白基因突变会导致镰状细胞病和β-地中海贫血。但人类有另一种血红蛋白亚基基因(γ-珠蛋白)，它在胎儿发育过程中表达，而不是β-珠蛋白。γ-珠蛋白与α-珠蛋白结合形成胎儿血红蛋白。通常在出生前后，γ-珠蛋白表达关闭，β-珠蛋白表达打开，从胎儿血红蛋白转变为成人血红蛋白。基因组编辑技术可以引入突变，重新打开伽马珠蛋白基因，从而增加胎儿血红蛋白的产量，从而有效替代有缺陷的成人血红蛋白的生产。

“我们使用基于编辑器创建了一个新的 TAL1 转录因子结合位点，该位点能够特别强烈地诱导胎儿血红蛋白，”Yen 说。“创建新的转录因子结合位点需要精确的碱基对改变——使用 CRISPR-Cas9 无法做到这一点，否则会产生不需要的副产物和双链断裂的其他潜在后果。”

“γ-珠蛋白[胎儿血红蛋白]基因是碱基编辑的良好靶点，因为存在非常精确的突变，可以重新激活其表达，从而在出生后诱导表达，这可能为儿童提供一种强大的‘一刀切’治疗方法。所有导致 SCD 和 β 地中海贫血的突变，”共同通讯作者、圣裘德血液学系主任、医学博士、哲学博士Mitchell Weiss说。

因此，科学家希望恢复胎儿血红蛋白表达，因为与纠正 SCD 突变或导致 β 地中海贫血的数百种突变相比，这是一种更普遍的治疗主要血红蛋白疾病的方法。增加胎儿血红蛋白表达有可能使大多数 SCD 或 β 地中海贫血患者受益，无论其致病突变如何。研究人员此前已经展示了多种基因组编辑方法的原理验证，但这项研究首次系统地比较了这些不同策略的功效。

“我们仔细观察了用于对胎儿血红蛋白基因进行治疗性编辑的核酸酶和碱基编辑器的个体 DNA 序列结果。由于核酸酶通常会产生许多不同 DNA 序列结果的复杂、不受控制的混合物，因此我们描述了每个核酸酶编辑的序列如何影响胎儿血红蛋白表达。然后我们对碱基编辑结果做了同样的事情，结果更加同质。”共同通讯作者 David Liu博士、 麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所教授 Richard Merkin 说，他的实验室于 2016 年发明了碱基编辑。

研究发现，在 γ-珠蛋白启动子中最有效的位点使用碱基编辑，可实现比 Cas9 编辑高 2 至 4 倍的 HbF 水平。他们进一步证明，通过将来自健康捐献者和 SCD 患者的血液干细胞植入免疫功能低下的小鼠体内，这些碱基编辑可以保留下来。