遗传病基因治疗专题-单碱基编辑治疗镰刀状细胞贫血症

2021年6月2日，哈佛大学和麻省理工学院博德研究所的刘如谦（David R.Liu）团队和圣裘德儿童研究医院Mitchell J. Weiss团队在Nature上发表了一篇题为“Base editing of haematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice”的研究型文章。这项研究运用了单碱基编辑技术--自定义腺嘌呤碱基编辑器(ABE8e-NRCH)将镰刀状细胞病（SCD）等位基因(HBBS)转化为非致病性变异Makassar β-globin (HBBG) 。编辑后的小鼠体内Makassar β-globin (HBBG)占血液β-珠蛋白的79% ，缺氧诱发的镰刀状细胞病减少3倍。与未编辑细胞的小鼠相比，接受碱基编辑的HSPC的小鼠血液学参数接近正常且脾脏病理状态改善。经过编辑的骨髓二次移植证实了基因编辑在长期造血干细胞中是持久的，并表明HBBS-HBBG编辑20%或以上就足以挽救表型。这说明SCD可以实行一次性的自体治疗，消除致病性HBBS ，产生良性HBBG ，并最大限度地减少双链DNA断裂的不良后果。
镰刀状细胞病是一种由HBB突变引起的常染色体隐性疾病， HBB编码成人β-球蛋白(βA)(图1a) 。在低氧浓度下，突变的β-球蛋白(βS)引起血红蛋白在红细胞(RBC)内聚合，导致典型的镰刀状红细胞和一系列溶血、炎症和微血管闭塞。尽管造血干细胞(HSC)移植可以治愈SCD ，但通常无法找到最佳匹配的供体，该过程可能导致移植排斥或移植物抗宿主病。体外修饰自体造血干细胞以规避SCD突变的有害影响是几种实验性治疗的基础。已经表现出早期临床应用前景的方法包括通过慢病毒载体异位表达抗镰刀病的β样球蛋白基因和通过抑制或cas9介导的BCL11A破坏诱导胎儿血红蛋白(HbF) 。慢病毒载体存在插入突变的风险，可能不能有效抑制病理性βS的表达。 Cas9核酸酶介导的同源定向修复可以纠正HBBS ，但在重建HSCs时很难有效实现，也需要DNA双链断裂。通过将HBBS等位基因转化为良性变异而不引入DSBs来消除SCD可以克服这些限制。

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图1 腺嘌呤碱基编辑将CD34+ HSPCs中的SCD β-珠蛋白基因(HBBS)转化为良性的Makassar β

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图2 HBBS- HBBG碱基编辑减轻小鼠SCD模型的病理

【遗传病基因治疗专题-单碱基编辑治疗镰刀状细胞贫血症】

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图3 将SCD β-球蛋白等位基因(HBBS)的腺嘌呤碱基编辑为Makassar变体(HBBG)

腺嘌呤碱基对编辑器(ABEs)在活细胞中将靶向的A - T碱基对转化为G - C ，而不需要DNA双链断裂或供体DNA模板，并且具有最小的indels形成。在SCD中，编码β-球蛋白氨基酸6的GAG (Glu)密码子突变为GTG (Val) 。尽管腺嘌呤碱基编辑不能还原这种突变，但它可以将致病密码子转化为GCG (Ala) ，从而产生一种自然发生的非致病变异，称为Hb-Makassar (HBBG) (图1) 。本文研究者在SCD患者的CD34+ HSPCs中生成了一个ABE (ABE8e-NRCH) ，该ABE以最小的非沉默bystander编辑将SCD等位基因转化为非致病HBBG Makassar等位基因。经过编辑的HSPCs在小鼠体内植入后能够持久，移植16周后 HBBG频率为68% ，并显著减少了源性红样细胞的镰刀化。为了评估表型拯救，作者从SCD6小鼠模型(内源性β-球蛋白基因被人类HBBS取代)中编辑了HSPCs ，并将编辑后的HSPCs移植到受辐射的成年受体小鼠中。经过编辑的小鼠造血干细胞的一次和二次移植证实了长期造血干细胞的编辑，血液学参数恢复到接近正常水平（图2 ， 3）。