Nature:重大进展!利用碱基编辑有望治疗镰状细胞病

2021
06/06

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生物谷
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血红蛋白基因(HBB)的点突变导致异常血红蛋白的产生。

人体内的血红蛋白是红细胞中运输氧气的特殊蛋白质,由珠蛋白和血红素组成。珠蛋白含有4个亚基(α2β2),每个亚基连接1个称为血红素的辅基分子。血红蛋白基因(HBB)的点突变导致异常血红蛋白的产生。已发现数百种异常血红蛋白,其中只有一小部分引起疾病发生,最常见也最了解的疾病是镰状细胞病(SCD)。

图片来源:摄图网

SCD是一种常见的致命性常染色体隐性遗传病,由HBB基因突变引起。这种疾病每年影响全世界30多万名新生儿。它导致了患者的慢性疼痛、器官衰竭和早期死亡。


在一项新的研究中,由来自美国布罗德研究所和圣犹大儿童研究医院的研究人员领导的一个研究团队证实一种碱基编辑方法能够高效地校正患者造血干细胞中和小鼠体内导致SCD的基因突变。这种基因编辑治疗利用碱基编辑将致病性的血红蛋白基因转化为良性的基因变体,挽救了SCD动物模型中的疾病症状,使健康的血细胞得以持久地产生。相关研究结果于2021年6月2日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Base editing of haematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice”。

图片来源:Natuure官网


SCD的根源是患者携带血红蛋白基因HBB的两个突变拷贝。这两个突变拷贝导致红细胞从圆盘状转变为镰刀状,引发一连串事件,最终导致器官损伤、复发性疼痛和早期死亡。在这项研究中,这些作者使用了一种称为碱基编辑的分子技术,在人类造血干细胞中和SCD小鼠模型体内直接将致病性的HBB基因(HBBS)转换成无害的望加锡(Makassar)HBB基因变体(HBBG)。


论文共同通讯作者、布罗德研究所梅金医疗转化技术研究所主任、哈佛大学教授、霍华德-休斯医学研究所研究员David Liu说,“我们能够在细胞模型和动物模型中使用定制的碱基编辑器来校正致病性的基因变体,而不需要诱导双链DNA断裂或在基因组中插入新的DNA片段。这是一项重大的团队努力,我们希望碱基编辑将为SCD治疗策略提供一个有希望的基础。我们的研究说明了多学科合作在开发基于机制的新型遗传疾病治疗方法方面的力量和和兴奋点。特别是,我们结合了蛋白质工程、碱基编辑和红血球生物学方面的专业知识,从而构建出一种治疗和可能治愈SCD的新方法。” 


一种改进的方法


目前,治愈SCD的唯一既定方法是骨髓移植,但为患者找到合适的骨髓捐赠者是很困难的,而且接受移植的患者可能会出现危险的副作用。虽然有一些正在开发的基因编辑疗法通过直接修改患者自身的骨髓来避免这些风险,但是这些实验性疗法依赖于引入新的DNA或切割细胞中的基因组DNA,这也可能导致不良影响。



HBBS→HBBG碱基编辑减轻小鼠SCD模型的病理。图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03609-w。


在这项新的研究中,这些作者使用了所谓的腺嘌呤碱基编辑器(adenine base editor)ABE8e-NRCH,这是Liu实验室开发的一种分子工具,可以靶向特定的基因序列,将DNA碱基对A-T转换为G-C,从而在单对核苷酸的水平上改变一个基因。该研究中使用的碱基编辑器由实验室进化的Cas9蛋白变体(一种CRISPR相关蛋白,将碱基编辑器定位在基因组中发生突变的HBB位点)和一种实验室进化的将目标碱基A转换为碱基C的酶(即TadA-8e)组成。这种碱基编辑器还引导细胞修复互补的DNA链,完成目标A-T碱基对向G-C的转换。


在SCD中,编码 β-珠蛋白第6位氨基酸的 GAG (Glu) 密码子突变为致病性的 GTG (Val)密码子。虽然ABE8e-NRCH不能逆转这种单碱基变化,但是它可以将这种致命性的GTG密码子中的T转化为C,从而将这种危险的血红蛋白转化为一种自然发生的称为“望加锡血红蛋白(hemoglobin Makassar)”的非致病性变体。


在模型中进行编辑


这些作者首先将ABE8e-NRCH导入从人类SCD患者体内分离出的造血干细胞。在这些实验中,高达80%的致病性血红蛋白变体被成功编辑成良性的望加锡血红蛋白,而且这种碱基编辑器极少导致血红蛋白发生不想要的变化。


他们随后将这些经过碱基编辑的造血干细胞移植到SCD小鼠模型中,观察它们在活体动物中的功能。16周后,这些经过碱基编辑的造血干细胞仍然产生健康的血细胞。


论文共同第一作者、布罗德研究所的Gregory Newby解释说,“在移植16周后,在造血干细胞中保持的编辑总频率为68%--毕竟,这些干细胞可能在它们的两个HBB基因拷贝或者只在它们的一个拷贝中发生编辑,或者在它们的两个拷贝中都没有发生编辑。我们特别兴奋地观察到,近90%的造血干细胞至少含有一个经过编辑的HBB拷贝(下称编辑拷贝)。即使是那些只有一个编辑拷贝的造血干细胞也似乎受到了保护,不会出现病变。” 


在另一组实验中,这些作者从携带人SCD HBB变体的小鼠身上提取造血干细胞,对它们进行碱基编辑,并将碱基编辑后的造血干细胞移植到另一组受体小鼠身上。移植了未经碱基编辑的造血干细胞的对照组小鼠显示出典型的症状:镰状红细胞,红血球寿命短的后果,以及脾脏肿大。相反,与对照组相比,移植了碱基编辑过的造血干细胞的小鼠在每个测试的疾病指标上都有所改善,观察到的所有测量的血液参数与健康小鼠几乎没有区别。


最后,为了证实目标造血干细胞遭受持久编辑,这些作者进行了二次移植:从16周前接受过碱基编辑的造血干细胞移植的小鼠中抽取骨髓,随后将骨髓中的造血干细胞转移到一组新的小鼠体内。在这个新的小鼠队列中,经过碱基编辑的造血干细胞继续与健康的造血干细胞表现相似,从而证实了碱基编辑的效果是持久的。他们还证实,对至少20%的致病性HBB基因进行碱基编辑足以将SCD小鼠模型的血液指标维持在健康水平。


Liu解释说,“在最后的实验阶段,他们证实了大约20%的编辑阈值(editing threshold)对减轻小鼠所患的这种疾病是必要的。这种碱基编辑策略的效率远远超过这一基准。该方法有望成为潜在的一次性治疗SCD甚至可能是一次性治愈SCD的基础。” 


这些作者和其他合作伙伴正在努力将这一概念安全有效地推进到更多的临床前研究中,最终目标是惠及患者。


参考资料:Gregory A. Newby et al. Base editing of haematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03609-w.

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关键词:
镰状细胞病,造血干细胞,致病性,碱基,小鼠

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