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遺傳病基因治療專題-單堿基編輯治療鐮刀狀細胞貧血癥



2021年6月2日 ， 哈佛大學和麻省理工學院博德研究所的劉如謙（David R.Liu）團隊和 圣裘德兒童研究醫院Mitchell J. Weiss團隊在Nature上發表了一篇題為“Base editing of haematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice”的研究型文章 。 這項研究運用了單堿基編輯技術--自定義腺嘌呤堿基編輯器(ABE8e-NRCH)將鐮刀狀細胞病（SCD）等位基因(HBBS)轉化為非致病性變異Makassar β-globin (HBBG) 。 編輯后的小鼠體內Makassar β-globin (HBBG)占血液β-珠蛋白的79% ， 缺氧誘發的鐮刀狀細胞病減少3倍 。 與未編輯細胞的小鼠相比 ， 接受堿基編輯的HSPC的小鼠血液學參數接近正常且脾臟病理狀態改善 。 經過編輯的骨髓二次移植證實了基因編輯在長期造血干細胞中是持久的 ， 并表明HBBS-HBBG編輯20%或以上就足以挽救表型 。 這說明SCD可以實行一次性的自體治療 ， 消除致病性HBBS ， 產生良性HBBG ， 并最大限度地減少雙鏈DNA斷裂的不良后果 。
鐮刀狀細胞病是一種由HBB突變引起的常染色體隱性疾病 ， HBB編碼成人β-球蛋白(βA)(圖1a) 。 在低氧濃度下 ， 突變的β-球蛋白(βS)引起血紅蛋白在紅細胞(RBC)內聚合 ， 導致典型的鐮刀狀紅細胞和一系列溶血、炎癥和微血管閉塞 。 盡管造血干細胞(HSC)移植可以治愈SCD ， 但通常無法找到最佳匹配的供體 ， 該過程可能導致移植排斥或移植物抗宿主病 。 體外修飾自體造血干細胞以規避SCD突變的有害影響是幾種實驗性治療的基礎 。 已經表現出早期臨床應用前景的方法包括通過慢病毒載體異位表達抗鐮刀病的β樣球蛋白基因和通過抑制或cas9介導的BCL11A破壞誘導胎兒血紅蛋白(HbF) 。 慢病毒載體存在插入突變的風險 ， 可能不能有效抑制病理性βS的表達 。 Cas9核酸酶介導的同源定向修復可以糾正HBBS ， 但在重建HSCs時很難有效實現 ， 也需要DNA雙鏈斷裂 。 通過將HBBS等位基因轉化為良性變異而不引入DSBs來消除SCD可以克服這些限制 。

遺傳病基因治療專題-單堿基編輯治療鐮刀狀細胞貧血癥
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圖1 腺嘌呤堿基編輯將CD34+ HSPCs中的SCD β-珠蛋白基因(HBBS)轉化為良性的Makassar β


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圖2 HBBS- HBBG堿基編輯減輕小鼠SCD模型的病理


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圖3 將SCD β-球蛋白等位基因(HBBS)的腺嘌呤堿基編輯為Makassar變體(HBBG)

腺嘌呤堿基對編輯器(ABEs)在活細胞中將靶向的A - T堿基對轉化為G - C ， 而不需要DNA雙鏈斷裂或供體DNA模板 ， 并且具有最小的indels形成 。 在SCD中 ， 編碼β-球蛋白氨基酸6的GAG (Glu)密碼子突變為GTG (Val) 。 盡管腺嘌呤堿基編輯不能還原這種突變 ， 但它可以將致病密碼子轉化為GCG (Ala) ， 從而產生一種自然發生的非致病變異 ， 稱為Hb-Makassar (HBBG) (圖1) 。 本文研究者在SCD患者的CD34+ HSPCs中生成了一個ABE (ABE8e-NRCH) ， 該ABE以最小的非沉默bystander編輯將SCD等位基因轉化為非致病HBBG Makassar等位基因 。 經過編輯的HSPCs在小鼠體內植入后能夠持久 ， 移植16周后 HBBG頻率為68% ， 并顯著減少了源性紅樣細胞的鐮刀化 。 為了評估表型拯救 ， 作者從SCD6小鼠模型(內源性β-球蛋白基因被人類HBBS取代)中編輯了HSPCs ， 并將編輯后的HSPCs移植到受輻射的成年受體小鼠中 。 經過編輯的小鼠造血干細胞的一次和二次移植證實了長期造血干細胞的編輯 ， 血液學參數恢復到接近正常水平（圖2 ， 3） 。
綜上 ， 該研究描述了一種定制的ABE ， 它可以直接將致病SCD等位基因轉化為非致病的β-珠蛋白變體 ， 甚至在純合子或半合子形式同樣適用 。 這種堿基編輯策略是高效的(在HSPCs中高達80%的編輯 ， 在骨髓再生的HSCs中高達68%) ， 使用的是最小的bystander編輯或indels ， 并產生了不破壞球蛋白基因調控或造血功能的非鐮刀狀紅細胞 。 這些發現表明 ， 自體體外單堿基編輯和造血干細胞移植是治療SCD的一種潛在的一次性治療方法 ， 同時也為其他單基因遺傳病使用單堿基編輯進行治療帶來了希望 。
【遺傳病基因治療專題-單堿基編輯治療鐮刀狀細胞貧血癥】參考文獻：Newby GA, Yen JS, Woodard KJ, et al. Base editing of haematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice. Nature. 2021 Jun 2.

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