可編程CRISPR-Cas核酸酶通過在目標位置使雙鏈DNA斷裂來實現基因組編輯,但在有絲分裂后的細胞中十分低效。而堿基編輯器是最近開發的基因組工程工具,能在轉換率低的組織中進行精確有效的編輯。
對于堿基編輯的臨床應用,其主要的局限性在于產生潛在的非靶突變。非靶突變可以是單導向RNA (sgRNA)依賴的或sgRNA獨立的,并受堿基編輯器表達水平和持續時間的影響。此外,體內堿基編輯尚未在大型動物模型中得到證實。
2021年5月19日,瑞士蘇黎世聯邦理工學院Gerald Schwank與加拿大Acuitas治療公司Sean C. Semple團隊合作,在國際學術期刊《自然-生物技術》雜志上在線發表了題為“In vivo adenine base editing of PCSK9 in macaques reduces LDL cholesterol levels”的文章,研究表明在獼猴體內對PCSK9進行腺嘌呤堿基編輯可降低低密度脂蛋白(LDL)水平。
DOI: 10.1038/s41587-021-00933-4
PCSK9,主要在肝臟中表達,是LDL受體的負調節因子。研究人員用腺嘌呤堿基編輯(ABE)在小鼠Hepa細胞中定位了幾個典型的PkcK9剪接位點來試圖降解PkcK9的mRNA和蛋白質,最后確定了sgRNA_mP01和sgRNA_hP01分別用于小鼠和食蟹猴的體內實驗。并且通過將不同的SpCas9-TadA構建體與sgRNA_mP01一起導入小鼠的肝臟,實驗表明其血漿Pcsk9水平以及血漿LDL水平顯著降低。并且在小鼠中誘導了高達67%的編輯(平均61%),在獼猴中誘導了高達34%的編輯(平均26%)。小鼠血漿PCSK9和LDL水平分別穩定降低95%和58%,獼猴穩定降低32%和14%。
小鼠肝臟中Pcsk9基因的體內腺嘌呤堿基編輯
隨后,研究人員探究了長期ABE表達產生的非靶突變,在分子水平評估了在DNA和RNA中的非靶突變。實驗表明ABE mRNA的非靶效應是暫時的,在注射后第17天就不再檢測到,而在基因組DNA中也未發現靶外突變。這些結果表明腺嘌呤堿基在體內編輯是有效和安全的,并有可能用于遺傳性肝病患者的治療目的。
Pcsk9的體內腺嘌呤堿基編輯不會在DNA中誘導大量的非靶突變
最后,作者為了進一步評估ABE在臨床相關大動物模型中的可行性,在成年食蟹猴(食蟹猴)中編輯了PCSK9。實驗表明,獼猴的ABE可抑制PCSK9從而降低血液LDL。而且與小鼠實驗不同的是獼猴中觀察到SpCas9和TadA的特異性IgG抗體,說明產生了對ABE的體液免疫反應,這可能也是獼猴中的再給藥沒有增加編輯的原因。
獼猴肝臟中PCSK9基因座的體內腺嘌呤堿基編輯
總之,本片文章研究了小鼠和食蟹猴肝臟中ABEs降低血液低密度脂蛋白(LDL)水平的有效性和安全性。利用脂質納米顆粒實現ABE編碼基因和靶向PCSK9(LDL的負調節因子)單向導RNA的遞送,這在小鼠中可實現高達67%的堿基編輯(平均61%)水平,在獼猴中也可實現高達34%的編輯(平均 26%)效率。
血漿PCSK9和LDL的含量在小鼠中分別穩定降低了95%和58%,在獼猴中分別降低了32%和14%。ABE mRNA可被迅速清除,并且在基因組DNA中未發現脫靶突變。對獼猴進行重新給藥并未增加編輯,這可能是由于治療后對ABE產生的體液免疫反應所致。這些發現都為進一步利用ABE治療單基因突變肝病患者提供了支持。
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