1. sci666首页
  2. 研究进展

曾静/吴宇轩/任春妍等通过单碱基编辑技术治疗β-地中海贫血和镰刀状贫血疾病

单碱基编辑技术(base editors,BEs),指能在基因组上引起单个碱基改变的基因编辑技术,可在不形成 DNA 双链断裂的情况下对靶基因位点的单个碱基进行胞嘧啶 C→胸腺嘧啶 T 或腺嘌呤A→鸟嘌呤G 的精准编辑。近年来由于单碱基编辑技术的强大、高效,以及不会产生DNA双链断裂等特点,逐渐成为人们关注的热点,有望在未来的基因治疗中大显身手。因此,利用单碱基编辑技术治疗β-血红蛋白病(如地中海贫血)将是一个绝佳的基因治疗策略。
 
β-地中海贫血(简称“β-地贫”)是一种常见的由于β-珠蛋白(β-globin)亚基突变导致成人血红蛋白(Adult Hemoglobin,HbA,由β-globin和α-globin组成)异常的遗传性疾病。异体造血干细胞移植可根治“地贫”,但限制条件太多,并不能得到广泛应用。临床发现,疾病严重程度与胎儿血红蛋白(Fetal Hemoglobin,HbF,由γ-globin和α-globin组成)的含量密切相关,部分病人体内HbF较多,则并发症较轻,死亡率也低,因此,增加病人体内HbF的含量是治疗或缓解这类贫血的重要方法之一。γ-globin是一种胎儿时期表达的珠蛋白,该珠蛋白具有和β-globin相似的功能,编码该蛋白的基因HBG在上述贫血患者中序列完好,但到成年期表达便会被沉默。因此,重新激活患者体内γ-globin基因的表达来弥补缺损的β-globin是近年来兴起的一种治疗策略。
 
先前研究发现,BCL11A基因在红细胞中具有抑制γ-globin基因的表达的作用。这些研究提示,在患者造血干细胞中靶向编辑BCL11A红系增强子会重新激活HbF的表达,再将高效编辑后的造血干细胞移植给患者重建造血,可产生高表达HbF的红细胞,且不会影响淋巴细胞的分化、成熟【1-3】
 
2020年3月16日,Nature Medicine杂志发表题为“Therapeutic base editing of human hematopoietic stem cells”的研究论文,该研究证实通过新一代单碱基编辑技术有望彻底根治由β-globin珠蛋白突变引发的系列遗传疾病【4】。哈佛大学医学院及波士顿儿童医院Daniel Bauer教授实验室的曾静、华东师范大学吴宇轩研究员、波士顿儿童医院任春妍为共同第一作者。
 
曾静/吴宇轩/任春妍等通过单碱基编辑技术治疗β-地中海贫血和镰刀状贫血疾病
2019年3月,同一研究团队曾在Nature Medicine杂志发文,发现利用基因编辑技术靶向编辑BCL11A红系增强子,会重新开启γ珠蛋白表达,代替有缺陷的β珠蛋白【5】。而此研究用单碱基编辑系统代替了之前传统的基于双链断裂的基因编辑系统,有望成为一个更为安全可靠的基因治疗策略,同时为造血干细胞中其他血液疾病致病位点的原位修复提供了可能。
 
曾静/吴宇轩/任春妍等通过单碱基编辑技术治疗β-地中海贫血和镰刀状贫血疾病
 图1. 通过单碱基编辑技术编辑β-地中海贫血患者造血干细胞
首先,本研究通过优化编辑系统,实现了单碱基编辑器在人CD34+造血干/祖细胞中的高效基因编辑,然后通过编辑红系特异增强子BCL11A +58位点造成BCL11A在红细胞中表达下调。将编辑过后的CD34+细胞体外红系分化后,发现BCL11A的表达水平显著降低,同时HbF的含量得到极大提升。本研究还对-28型地中海贫血类型的患者来源CD34+细胞进行了编辑,同时尝试了通过单碱基编辑器同时改变HBB -28和BCL11A +58双位点,结果发现分化后的红细胞分化更加成熟、体积和形态都恢复至接近于健康细胞水平。
 
接着,研究人员证实了编辑后的干细胞在移植至小鼠骨髓4个月后仍然保持着极高的编辑效率,且HSC更倾向于C>T编辑,同时能在体内激活红细胞中胎儿血红蛋白的表达。
 
曾静/吴宇轩/任春妍等通过单碱基编辑技术治疗β-地中海贫血和镰刀状贫血疾病
图2. 新一代单碱基编辑工具编辑后的CD34+细胞中可以在小鼠骨髓中长期归巢并保持高效率的C>T碱基编辑
 
最后,研究人员证明了镰刀状贫血病人来源的CD34+细胞也能被高效编辑且在编辑后移植至小鼠体内重建人源血液系统,同时红细胞中HbF的提升水平足以帮助细胞恢复正常形态,抵抗镰刀化。这一研究证实了单碱基编辑器在造血干细胞的基因治疗应用中的巨大潜力,同时为地中海贫血及镰刀状贫血的临床治疗提供了新的解决方案。
 
曾静/吴宇轩/任春妍等通过单碱基编辑技术治疗β-地中海贫血和镰刀状贫血疾病
图3.镰刀状贫血患者来源CD34+细胞经单碱基编辑后产生的红细胞可以抵抗镰刀化
综上,通过单碱基编辑技术编辑β-地中海贫血和镰刀状贫血患者造血干细胞中的BCL11A增强子位点,或者直接修复发生突变的HBB基因,并进行自体造血干细胞移植,可以使其在体内分化产生具有正常功能血红蛋白的红细胞,从而有可能彻底根治此类疾病。
 
之前,同一研究团队开发了基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的治疗策略,相关临床实验已经于2018年获得FDA批准,由医药公司Vertex/CRISPR therapeutics主导,在美国和欧洲开展针对β-地中海贫血和镰状细胞病的I/II期临床实验。2019年底,前两例病人的临床数据被公布,一例地贫病人及一例镰贫病人在接受基因编辑后的造血干细胞回输后,贫血症状得到治愈并成功脱离输血。我国“地贫”基因携带者约3000万人,涉及近3000万家庭、一亿人口,其中重型和中间型“地贫”患者约30万人。而由于异体造血干细胞配型困难和血库资源不足,这些患者很多都不能得到有效治疗。因此,此项研究及其临床实验的推广有望为我国β-地中海贫血患者提供全新的基于自体干细胞移植的临床方案,造福广大患者和社会。
 
曾静/吴宇轩/任春妍等通过单碱基编辑技术治疗β-地中海贫血和镰刀状贫血疾病
图4. 通过CRISPR/Cas9基因编辑技术激活胎儿血红蛋白HbF,结合自体造血干细胞移植治疗血红蛋白病示意图(Lettre and Bauer. Lancet. 2016)
 
原文链接:https://doi.org/10.1038/s41591-020-0790-y

1. J. Xu, C. Peng, V.G. Sankaran, Z. Shao, E.B. Esrick, B.G. Chong, G.C. Ippolito, Y. Fujiwara, B.L. Ebert, P.W. Tucker, Correction of Sickle Cell Disease in Adult Mice by Interference with Fetal Hemoglobin Silencing, Science, 334 (2011) 993-996.

2. D.E. Bauer, S.C. Kamran, L. Samuel, X. Jian, F. Yuko, L. Carrie, S. Zhen, M.C. Canver, E.C. Smith, P. Luca, An Erythroid Enhancer of BCL11A Subject to Genetic Variation Determines Fetal Hemoglobin Level, Science, 342 (2013) 253-257.

3. Canver, M. C. et al. BCL11A enhancer dissection by Cas9-mediated in situ saturating mutagenesis. Nature 527, 192–197 (2015).

4. Zeng J, Wu Y, Ren C, Bauer DE, et al. Therapeutic base editing of human hematopoietic stem cells. Nature Medicine, 2020

5. Wu Y, Zeng J, Roscoe BP, Liu P, Yao Q, Lazzarrotto CR, Clement MK, Cole MA, Luk K, Baricordi C, Shen AH, Esrick EB, Manis JP, Dorfman DM, Williams DA, Biffi A, Brugnara C, Biasco L, Brendel C, Pinello L, Tsai SQ, Wolfe SA, Bauer DE, Highly efficient therapeutic gene editing of human hematopoietic stem cells. Nature Medicine, 2019

①SCI666交流QQ群:医学综合科研群:703163967 · 生信分析群:732179952 · Meta分析群:797345521(点击群号即可加群)。
②下载提示:点击查看百度网盘会员共享账号,部分内容具有时效性,若文中的下载链接失效请留言反馈。

发表评论

登录后才能评论

联系我们

(857)626-2666

在线咨询:点击这里给我发消息

邮件:123456@whu.edu.cn

QR code