IPEX(免疫功能失调、多发性内分泌病、肠病及X染色体连锁综合征,immune dysregulation polyendocrinopathy enteropathy X-linked syndrome)是一种由人类FOXP3基因突变导致的罕见的免疫系统遗传疾病,常导致患者在婴幼儿早期死亡。在2009年原发性免疫缺陷病(primary immune-deficiencydisease,PID)分类中,被归类于免疫调节失衡疾病大类中的自身免疫综合征。
FOXP3基因是CD4+CD25+FOXP3调节性T细胞发育过程中重要的转录调节因子,该基因突变使得调节性T细胞的发育缺陷或功能失调,使免疫自稳功能被打破,导致多器官发生严重的自身免疫现象,包括肠病、皮炎、内分泌病和其它器官特异性疾病,如贫血、血小板减少、肾炎、肝炎等。未得到有效治疗的患儿多在2岁内死亡。2001年FOXP3基因被确定为IPEX综合征的致病基因,迄今为止,国内外不到百例报道,对该病临床的表现认识仍是诊断的基础。
Crispr是指基因序列上成簇的规律间隔的短回文重复序列。Crispr基因编辑技术是由最简单的type II Crispr改造而来,由有核酸内切酶活性的Cas9蛋白和单链的导向RNA组成。通过核酸内切酶蛋白Cas9引起DNA双链的断裂,而细胞通过非同源末端连接(NHEJ)的修复会造成插入和缺失(INDEL)效应,进而造成基因的移码突变而达到基因敲除的目的。目前,已成功应用于动物、植物和微生物等诸多物种的基因组改造。
近日,斯坦福大学医学院儿科的R.Bacchetta教授及其研究团队在Science Advances上发表题为CRISPR-based gene editing enables FOXP3 gene repair in IPEX patient cells的研究论文,是基于crispr基因编辑技术修复IPEX患者细胞中的FOXP3基因型来调控FOXP3蛋白的表达,证明基因编辑适用于具有不同突变的IPEX患者细胞,并且保留造血干/祖细胞(HSPC)的分化潜能和维持效应T细胞体外表型和功能。该研究也有助于开发其他遗传性自身免疫性疾病的治疗方法。

研究团队为了实现FOXP3位点的基因编辑,首先设计了一个针对外显子1 (E1)中翻译起始密码子下游的FOXP3基因和相应的含有FOXP3 cDNA的HDR供体的CRISPR系统。通过设计供体构建物,插入FOXP3 cDNA、替换供体模板、截断的神经生长因子受体(tNGFR),tNGFR置于构成启动子的控制下,使其独立于FOXP3表达。随后,筛选了FOXP3 CRISPR单导sgRNAs在K562细胞中的靶向切割活性,从而验证了CRISPR系统可以有效地靶向控制的初级细胞中的FOXP3。再以此为模型,编辑人类HSPCs和T细胞中的FOXP3基因位点。

利用CRISPR系统精确定位原发性HSPCs和T细胞中的FOXP3位点
接下来,研究团队使用生物信息学预测、双链断裂(DSB)捕获试验和下一代测序(NGS)三种互补的方法来研究脱靶活性。再利用CRISPR在HSPC中特异性编辑FOXP3基因,经验证的位点均不位于基因编码区,根据基因注释,这些位点对造血细胞的造血或细胞周期调控均无明显影响。这一脱靶分析的结果表明,FOXP3 CRISPR系统是一个相对特异的造血细胞基因编辑平台。

CRISPR结合rAAV6同源供体,使DHR介导的FOXP3 cDNA转基因精确插入内源基因位点
接下来,研究团队评估了FOXP3在调节性T细胞中的cDNA插入策略,调节性T细胞是表达FOXP3的主要细胞类型,与IPEX综合征有关。通过实验检测分选,结果发现FOXP3编辑过的调节性T细胞能持续表达FOXP3蛋白及维持调节性T细胞的表型和功能。

经FOXP3编辑的调节T细胞体外表达FOXP3蛋白
由于效应T细胞在TCR激活后会瞬时表达FOXP3蛋白所以,研究团队通过流式细胞仪监测在激活后2周时间内FOXP3在FOXP3编辑的效应T细胞中的蛋白表达。在未激活的细胞中,观察到FOXP3的低水平表达,而在TCR介导的活化作用下,FOXP3在编辑细胞和对照细胞中的表达被诱导,并在第3天几乎增加了一倍,然后逐渐恢复到基线水平。此外,还通过实验检测了基因编辑的效应T细胞和对照细胞的细胞因子产生概况和增殖潜力等。总之,结果表明基因编辑的效应T细胞维持着FOXP3表达、细胞因子产生和增殖的生理调节。

基因编辑效应T细胞中的FOXP3能保护其表达和体外功能的生理调节
通过以上,研究团队基于Crispr基因编辑技术,编辑IPEX患者的调节T细胞和效应T细胞中的FOXP3基因。经实验前后功能分析结果表明,编辑过的调节T细胞和效应T细胞恢复了FOXP3表达,使用Crispr系统校正FOXP3基因可以恢复对照组FOXP3基因表达,并为IPEX患者细胞提供功能益处。

基于crispr的编辑技术可以在IPEX患者细胞中纠正FOXP3基因
以上结果,为使用FOXP3 CRISPR系统直接对自体HSPCs、T细胞前体或调节T细胞进行基因修饰奠定了基础。更广泛地说,基于CRISPR系统治疗IPEX综合征的研究,将有助于为其他具有自身免疫的原发性免疫缺陷的类似治疗方法铺平道路。
参考文献:10.1126/sciadv.aaz0571