Nature:刘如谦使用单碱基编辑,首次修复镰状细胞病致病突变

2021
06/04

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许多遗传性疾病是由单个碱基突变导致的,因此,单碱基编辑器的出现,为治疗许多单碱基遗传病提供了强大的方法,刘如谦也因此被 Nature 评为“2017年影响世界十大科学人物”。


撰文 | 王聪
编辑 | nagashi
排版 | 水成文

镰状细胞病(SCD),是一种常染色体隐型遗传病,是由表达β-珠蛋白的HBB基因突变引起,突变导致β-珠蛋白上第六位原本的谷氨酸被替换成缬氨酸,进而导致红细胞形态异常,呈现镰刀型,因此也叫做镰刀状细胞贫血症

镰状细胞病患者会出现包括贫血、严重急性和慢性疼痛、免疫缺陷、多器官衰竭,甚至早逝。骨髓移植是根治这种遗传疾病的方法,然而,骨髓移植费用巨大、配型极其困难,因此,绝大多数患者只能依赖频繁输血维持生命,不仅给家庭带来极大经济负担,患者的生活质量也很低。

近年来,基因治疗技术的崛起为彻底治愈这种严重遗传病带来了新希望。之前有临床研究通过慢病毒导入β样珠蛋白基因,或使用CRISPR-Cas9基因编辑抑制BCL11A基因,从而重新激活γ-珠蛋白表达,弥补β-珠蛋白的缺失。详情:NEJM:CRISPR基因编辑人类临床试验,治愈两种遗传性贫血症

但是,这两种方法都具有一定的缺陷,慢病毒载体存在插入突变风险,CRISPR-Cas9造成DNA双链断裂,会带来片段插入、缺失、易位、染色体片段丢失、染色体碎裂、p53激活等多种潜在风险。而且这两种方法都没有消除致病性的突变β-珠蛋白,都属于“曲线救国”。

2021年6月2日,单碱基编辑技术开创者刘如谦(David Liu)等人在 Nature 发表了题为:Base editing of haematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice 的研究论文。


镰状细胞病 (SCD) 属于单碱基突变导致的单基因遗传病,因此,单碱基编辑技术能够修复这种突变,腺嘌呤碱基编辑器 (ABE) 能够将活细胞中的 A•T 碱基对转化为 G•C,而无需造成 DNA 双链断裂,也无需供体 DNA 模板,具有更小的潜在风险。

在镰状细胞病中,编码 β-珠蛋白的第六位氨基酸的密码子 GAG 突变成了 GTG。虽然腺嘌呤碱基编辑器(ABE)不能将 GTG 突变恢复成 GAG ,但可以将转化为 GCG ,GCG 是一种自然存在的非致病性变异,转化后于正常 β-珠蛋白无异。突变的基因型成为HBBS,修复后的基因型成为HBBG。


刘如谦 团队使用了他们于2020年利用噬菌体辅助进化技术开发的新型腺嘌呤碱基编辑器——ABE8e-NRCH

为了最大程度保证安全性,研究团队使用了 ABE8e-NRCH 蛋白 + sgRNA 组成的核糖核蛋白 (RNP) ,或使用 ABE8e-NRCH mRNA + sgRNA ,通过电穿孔导入CD34+造血干细胞和祖细胞 (HSPC) ,对其进行进行碱基 编辑。

试验结果表明,经过编辑的HSPC细胞在植入小鼠后能持久存在,16周后,修复后的HBBG基因型占比达到了68%,镰刀型红细胞比例显著降低。

为了评估这种方法的效果,研究团队对镰状细胞病小鼠模型的HSPC细胞进行了单碱基编辑,该小鼠模型内源性 β-珠蛋白基因被人类HBBS突变性基因取代。编辑后的HSPC细胞移植到受辐照 (抑制移植物抗宿主反应) 的成年受体小鼠中。

实验结果表明, 初次和二次移植后,这些编辑后的造血干细胞能够长期存在,并将镰状细胞病小鼠模型的血液学参数恢复到接近正常水平。


这些研究结果表明,对自体造血干细胞进行离体单碱基编辑后移植,是非常有潜力的一次性治疗镰状细胞病的方法。

而就在一年前,2020年6月3日, 刘如谦 (David Liu) 等在 Science Translational Medicine 期刊发表封面论文, 通过双AAV载体递送单碱基编辑器,成功恢复Tmc1基因隐性突变导致的完全耳聋小鼠的听力

这也是 人类首次通过基因编辑技术解决隐性遗传突变导致的遗传疾病


单碱基编辑发展史

2016年4月20日,刘如谦等人在 Nature 发表论文,首次可以通过可靠、可预测的方法,实现对细胞基因组中的单个碱基进行修改


2017年10月25日,刘如谦等人进一步升级,开发出了单碱基编辑器(Base Editor),将dCas9和TadA(腺嘌呤脱氨酶)整合,能够在不造成DNA双链断裂的情况下,将A-T碱基对转换为G-C碱基对,实现对基因组点突变的定点矫正修复


许多遗传性疾病是由单个碱基突变导致的,因此,单碱基编辑器的出现,为治疗许多单碱基遗传病提供了强大的方法,刘如谦也因此被 Nature 评为“2017年影响世界十大科学人物”。

2019年3月1日,Science 杂志同期发表两项分别来自中科院神经所杨辉课题组和中科院遗传发育所高彩霞课题组的研究论文,这两篇论文均表明,单碱基编辑器会导致许多不必要的和潜在危险的“脱靶”遗传变化。


这一发现为单碱基编辑的临床应用蒙上了一层阴影。

好在此后不久,刘如谦J. Keith Joung杨辉等各自发表多项研究成果,对单碱基编辑器做了大量改进,大大降低了其脱靶性

2020年2月,刘如谦张锋J. Keith Joung等人联合创立单碱基编辑公司 Beam Therapeutics 在美国纳斯达克成功上市,该公司致力于通过单碱基编辑技术开发遗传病基因疗法。


2020年6月1日,Nature Biotechnology 杂志同时在线发表了来自华东师范大学李大力团队及美国麻省总医院 J. Keith Joung 团队的研究论文。


两个团队各自独立开发出了双碱基编辑器,能够同时实现两种不同碱基的高效转变,解决了现有碱基编辑器只能催化单一类型碱基的转换的限制,极大地丰富了碱基编辑工具、扩展了碱基编辑器的应用范围,为遗传病治疗、作物育种等于带来新的发展。

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03609-w
https://stm.sciencemag.org/content/12/546/eaay9101.full

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关键词:
镰状细胞病,单碱基,刘如谦,珠蛋白,遗传病,碱基

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