堿基編輯將為鐮狀細胞病的治療提供新策略

　　由麻省理工學院(MIT)、哈佛大學(Harvard)布羅德研究所(Broad Institute of MIT)和圣猶大兒童研究醫院領導的一個團隊展示了一種基因編輯方法，可以有效糾正患者血液干細胞和小鼠體內SCD的突變。

　　鐮狀細胞病(SCD)是最常見的致命遺傳疾病，每年影響全球超過30萬新生兒。它會導致慢性疼痛，器官衰竭，以及患者的早期死亡。由麻省理工學院(Broad Institute of MIT)、哈佛大學(Harvard)和圣裘德兒童研究醫院(St. Jude Children’s Research Hospital)的研究人員領導的一個團隊現在展示了一種堿基編輯方法，可以有效糾正患者血液干細胞和小鼠體內SCD的突變。這種基因編輯治療挽救了動物模型中的疾病癥狀，使健康血細胞的長期生產成為可能。

　　SCD的根源是血紅蛋白基因(HBB)的兩個突變副本，導致紅細胞從圓形圓盤變成鐮刀狀，引發一系列事件，導致器官損傷、反復疼痛和早期死亡。在這項研究中，研究人員使用了一種名為堿基編輯的分子技術，在人類造血細胞和SCD小鼠模型中，直接將致病DNA的單個字母轉化為無害的HBB基因變體。

　　“我們能夠使用定制的堿基編輯器在細胞和動物模型中糾正致病變異，而不需要雙鏈DNA斷裂或向基因組中插入新的DNA片段，”共同高級作者David Liu說。“這是一個團隊努力，我們希望堿基編輯將為鐮狀細胞病的治療策略提供一個有前途的基礎。”

　　“我們的研究說明了多學科合作在為遺傳疾病創造基于機制的新治療方法方面的力量和令人興奮的地方，”圣猶德血液學系主任、共同高級作者Mitchell Weiss說。“特別是，我們結合了蛋白質工程、堿基編輯和紅細胞生物學方面的專業知識，創造了一種治療并可能治愈鐮狀細胞疾病的新方法。”

　　這項研究發表在《Nature》雜志上。

　　一種改進的方法

　　目前，治愈SCD的唯一方法是骨髓移植，但為患者找到合適的骨髓捐贈者很困難，接受移植的患者可能會遭受危險的副作用。雖然有許多正在開發的基因編輯療法可以通過直接修改患者自身的骨髓來避免這些風險，但這些實驗性療法依賴于引入新的DNA或在細胞中切割基因組DNA，這也可能導致不良影響。

　　為了這項工作，研究團隊使用了所謂的“腺嘌呤堿基對編輯器”，這是David Liu的實驗室開發的一種分子工具，可以針對特定的基因序列，將DNA堿基對A * T轉化為G* C，在單個核苷酸水平上改變一個基因。

　　本研究中使用的堿基編輯器由一種實驗室進化的Cas9變體（一種CRISPR相關蛋白，將堿基編輯器定位在基因組中突變的HBB位點）和一種實驗室進化的酶組成，后者將目標A轉化為一種類似G的成對堿基。堿基編輯器還引導細胞修復互補的DNA鏈，完成目標A*T堿基對到G*C的轉換。

　　鐮狀細胞病背后的單一DNA突變是健康血紅蛋白基因中的一個A，該基因已被改變為T。雖然腺嘌呤堿基編輯器不能逆轉這種變化，但它可以將T轉換成C。這個編輯將危險形式的血紅蛋白轉化為一種自然發生的非致病性變體，稱為“血紅蛋白Makassar”

　　在模型中編輯

　　研究小組首先將腺嘌呤堿基編輯器引入從人類SCD患者分離的造血干細胞中。在這些實驗中，高達80%的致病性血紅蛋白變異體被成功地編輯成良性Makassar變異體，只有極少的編輯實例導致血紅蛋白的不期望的變化。

　　研究人員將這些經過編輯的造血干細胞移植到小鼠模型中，觀察它們在活體動物中的功能。16周后，經過編輯的細胞仍能產生健康的血細胞。

　　移植后16周，干細胞中的編輯頻率為68%。干細胞中的編輯可能包含血紅蛋白基因的兩個拷貝，也可能只有一個拷貝，或者兩個拷貝都沒有。“我們特別興奮地看到，近90%的細胞至少含有一個血紅蛋白編輯副本，”研究人員解釋說。“即使是那些只有一個編輯副本的細胞似乎也受到了保護，不會患上鐮刀病。”

　　在另一組實驗中，研究人員從攜帶人類鐮狀細胞病變體的小鼠身上提取造血干細胞，對其進行編輯，并將編輯后的細胞移植到另一組受體小鼠體內。對照組小鼠移植了未經編輯的細胞，表現出典型的癥狀：紅細胞呈鐮狀，紅細胞壽命短，脾臟腫大。相比之下，移植了編輯過的細胞的小鼠與對照組相比，在每一個被測疾病指標上都有所改善，所有被測血液參數的水平幾乎與健康動物無法區分。

　　最后，為了證實對靶血干細胞的持久編輯，研究人員進行了二次移植，從16周前接受過編輯細胞的小鼠身上取出骨髓，并將血干細胞移植到一組新的小鼠體內。在新的動物隊列中，經過編輯的細胞繼續表現出與健康造血干細胞相似的性能，證實了堿基編輯的效果是持久的。研究小組確定，編輯至少20%的致病性血紅蛋白基因足以使小鼠的血液指標保持在健康水平。

　　“在這些最后的實驗階段，我們證明了一個大約20%的編輯閾值對于減輕小鼠的這種疾病是必要的。這種堿基編輯策略的效率遠遠超過了基準，”Liu解釋說。“這種方法有望成為鐮狀細胞病一次性治療或甚至一次性治愈的基礎。”

　　研究人員和其他合作伙伴正致力于將這一概念安全有效地應用到其他臨床前研究中，最終目標是將其應用到患者身上。