李大力/赖永榕/刘明耀合作利用CRISPR技术重启地贫患者γ蛋白表达

地中海贫血(简称“地贫”)是最常见的单基因常染色体隐性遗传性疾病之一,依据不同的致病基因,分为α和β地中海贫血两种。其分子机制为珠蛋白基因缺陷导致珠蛋白链合成障碍,使形成血红蛋白四聚体的α链/非α链比例失衡,进而引起红细胞破坏,造成溶血性贫血。重度α地贫的胎儿一般因严重水肿在胎儿期或出生后数小时死亡,主要通过产前诊断来干预。重度β地贫患者在出生后出现进行性贫血,需要进行终生输血和除铁治疗,在我国每年的治疗费用在10-20 万元左右。由于血源紧张加上费用高昂,我国绝大多数病人无法接受规范治疗,平均存活年龄也仅在10岁左右。目前,全世界大约有8000~9000万β地贫基因携带者。在我国香港、广东地区,β地贫基因携带率分别为3.4%、2.54%,而在广西,携带率高达6.43%。如此高的携带率和潜在发病率,给社会和家庭带来了沉重的负担,成为严重的公共卫生问题。

正常情况下,人体在胎儿期主要依靠γ珠蛋白与α珠蛋白形成胎儿血红蛋白四聚体(HbF),到成年后β珠蛋白开始表达而γ珠蛋白基因逐渐沉默。然而大量研究发现,很多β地贫病人中由于携带其他突变,造成γ珠蛋白基因(HBG)在成年仍然激活,高表达的γ珠蛋白能替代缺失的β珠蛋白与α珠蛋白形成HbF,而使病人不表现出明显的贫血症状。因此,通过在成人红细胞中激活胎儿期的HBG表达,弥补β珠蛋白表达不足,是治疗β地贫的重要策略之一。

2020年1月8日,华东师范大学李大力刘明耀教授团队同海南医学院第一附属医院马燕琳教授以及广西医科大学第一附属医院赖永榕教授合作,在Cell Research杂志发表了题为Reactivation of γ-globin Expression through Cas9 or Base Editor to Treat β-Hemoglobinopathies的研究论文。该研究证实了通过CRISPR/Cas9或者单碱基编辑技术,高效编辑HBG1/2启动子上的BCL11A结合位点,能够重新开启β地贫患者细胞内γ珠蛋白的表达,显著改善患者红细胞的成熟,有望成为治愈β地中海贫血的基因治疗手段。

有研究显示,在一部分重症β地贫患者中,天然携带着HBG启动子区域-102~-114位的缺失,这部分患者β地贫的症状很轻或者几乎没有症状。最近的研究显示,该区域正是转录抑制因子BCL11A的结合位点【1】。Mitchell J. Weiss课题组通过慢病毒递送CRISPR/Cas9系统的方法,从概念上证明了该靶点确实可以提高HBG表达,但是递送方法和效率都无法达到临床应用的要求【2】。利用Cas9 RNP电转的方式在造血干细胞中可以实现非常高效的编辑,是目前最有效的转导方式之一【3】。本研究通过体外电转Cas9/sgRNA RNP的方法,在该启动子区域的编辑效率均值达到了85%以上,并且基因编辑本身对细胞的毒性较低。经过编辑以后,细胞内的γ珠蛋白在mRNA水平以及蛋白水平都得到了显著的提升。更重要的是,这些经过编辑的患者造血干细胞在诱导红系分化后,表型得到了明显的改善,它们在脱核率、细胞大小和细胞形态上都趋近于正常人的细胞。

然而,野生型Cas9切割DNA双链引发NHEJ修复从而破坏目的片段,但DNA双链断裂始终是一个风险因素,而单碱基编辑方法几乎不引起双链断裂,有望克服这个潜在风险。该研究首次尝试了通过单碱基编辑的方法直接破坏BCL11A在HBG启动子上的结合位点,并且成功达到了约20%的总体碱基突变效率,在对实验细胞总体mRNA进行检测后,经过单碱基编辑的细胞中HBG基因的表达量同样得到了显著的提高。

图1.在β地贫患者造血干细胞中实现高效、低毒的基因编辑,重激活HBG表达

综上所述,该研究成功地建立了具有临床转化价值的造血干/祖细胞基因编辑技术体系,通过电转Cas9 RNP高效编辑HBG启动子,为重症β地贫患者提供了有望彻底治愈的新方法。同时,本研究率先证明单碱基编辑器编辑技术对于治疗β血红蛋白病的可行性与有效性,后续研究将进一步提高该位点的单碱基编辑效率,为临床应用提供更安全的策略。

据悉,华东师范大学王立人李林夕和海南医学院附属第一医院的马燕琳为本文共同第一作者,广西医科大学附属第一医院赖永榕、华东师范大学李大力刘明耀为本文共同通讯作者,湘雅医院血液科付斌主任等参与了本项研究工作。


华东师范大学生命科学学院李大力课题组招聘博士后研究人员

李大力,研究员,博士生导师,教育部青年长江学者。主要从事CRISPR等基因编辑技术的开发和基因治疗研究,近年来在国际知名生物学期刊发表研究论文60余篇,其中以通讯作者身份在Nature BiotechnologyNature ProtocolsCell Research等杂志上发表SCI论文30余篇。主持科技部重点研发计划子课题,国家自然科学基金、上海市教委重大和上海市科委重点项目十余项,获教育部自然科学一等奖1项,省部级科技进步二等奖1项。近年来围绕基因编辑技术开展了一系列的研究工作,特别是在人类疾病动物模型构建以及基因治疗方面建立了新的基因编辑技术体系和方法。由于课题需要,现招聘博士后2-3名,集中开展基因编辑技术体系优化、新型单碱基编辑工具的开发以及遗传疾病基因治疗等方面的工作,以期进一步推动临床应用研究。

研究内容与岗位职责:

岗位职责:

(1)协助PI负责实验室研究课题的设计和开展,相对独立开展相关研究。

(2)协助PI指导研究生、管理实验室。

(3)相关课题的申报

任职条件:

(1)在国内外高水平大学或研究机构已取得博士学位;生物学、医学等相关专业博士毕业,具备分子生物学、细胞生物生物学、免疫学、分子进化等相关实验技能者优先考虑;

(2)以第一作者身份发表至少1篇SCI学术论文;

(3)具有良好的人际关系和团队协作精神,工作努力,作风踏实,能够适应具有较高竞争性的环境,团队协作能力佳;

(4)具有良好的中英文口头表达和写作能力。

待遇保障:
(1)年薪20-30万元;
(2) 享受国家规定的社会保险等福利;按学校相关规定享受周转房、子女入学政策及科研等方面的奖励政策;
(3) 其它待遇按学校相关人才政策规定办理。
符合岗位要求的人士请将简历和免冠照片发至联系邮箱:[email protected][email protected]应聘材料将会保密,欢迎转发!
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41422-019-0267-z
1. Liu, N., et al., Direct Promoter Repression by BCL11A Controls the Fetal to Adult Hemoglobin Switch. Cell, 2018. 173(2): p. 430-442 e17.
2. Traxler, E.A., et al., A genome-editing strategy to treat β-hemoglobinopathies that recapitulates a mutation associated with a benign genetic condition. Nat Med, 2016. 22(9): p. 987-90.
3. Wu, Y., et al., Highly efficient therapeutic gene editing of human hematopoietic stem cells. Nat Med, 2019. 25(5): p. 776-783.
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