总结：腺苷碱基编辑重新启动镰状细胞病患者细胞中的胎儿血红蛋白表达。
改变血红蛋白基因的基因疗法可能是治疗镰刀型红血球疾病和乙型海洋性贫血分子的一种方法。这两种常见的危及生命的贫血症折磨着全球数百万人。圣裘德儿童研究医院、麻省理工大学布罗德研究所和哈佛大学的科学家们使用新一代基因组编辑技术——腺苷碱基编辑，重新启动了 SCD 患者细胞中胎儿血红蛋白的表达。该方法提高了胎儿血红蛋白的表达，以更高，更稳定，更统一的水平比其他基因组编辑技术使用 CRISPR/Cas9核酸酶在人类造血干细胞。这一发现今天发表在《自然遗传学》杂志上。
SCD 和乙型海洋性贫血分子是影响数百万人的血液疾病，编码成人版携氧分子血红蛋白的基因突变导致了这些疾病。恢复发育中胎儿血红蛋白亚基的基因表达已经在 SCD 和乙型海洋性贫血分子患者中显示出治疗效果。研究人员希望找到并优化基因组技术来编辑胎儿血红蛋白基因。一个由腺苷碱基编辑安装的改变对于恢复出生后红细胞中胎儿血红蛋白的表达特别有效。
"我们发现基础编辑有意义地提高了胎儿血红蛋白水平，"首席通讯作者、圣犹达治疗基因组工程小组主任Jonathan Yen博士说。“现在，我的治疗基因组工程团队已经在努力工作，开始优化碱基编辑，将这项技术推广到临床。”
血红蛋白是关键
成人血红蛋白主要在出生后表达，含有四个蛋白质亚基——两个 β-珠蛋白和两个 α-珠蛋白。Β-珠蛋白基因的突变会导致镰刀型红血球疾病和乙型海洋性贫血分子。但是人类有另一个血红蛋白亚基基因（伽马球蛋白） ，它在胎儿发育过程中表达，而不是 β-球蛋白。Γ-珠蛋白与 α-珠蛋白结合形成胎儿血红蛋白。正常情况下，在出生前后，γ-珠蛋白的表达被关闭，β-珠蛋白被打开，从胎儿血红蛋白转变为成人血红蛋白。基因组编辑技术可以引入突变，使 γ-珠蛋白基因重新开启，从而增加胎儿血红蛋白的产生，这可以有效地替代有缺陷的成人血红蛋白的产生。
Yen说：“我们使用了一个基于编辑器的方法来创建一个新的TAL 1转录因子结合位点，该位点可以引起胎儿血红蛋白的特别强烈的诱导。”“创建一个新的转录因子结合位点需要精确的碱基对变化-这是使用CRISPR-Cas9无法完成的，而不会产生不需要的副产物和双链断裂的其他潜在后果。“
"γ-珠蛋白[胎儿血红蛋白]基因是碱基编辑的良好靶点，因为有非常精确的突变可以重新激活其表达以诱导出生后的表达，这可能为导致SCD和β-地中海贫血的所有突变提供强大的'一刀切'治疗"共同通讯作者Mitchell Weiss博士说。博士学位，St. Jude血液科主任。
因此，科学家们希望恢复胎儿血红蛋白表达，因为这是一种比纠正SCD突变或数百种导致β地中海贫血的突变更普遍的治疗主要血红蛋白疾病的方法。增加胎儿血红蛋白表达有可能使大多数患有SCD或β地中海贫血的患者在治疗上受益，无论其致病突变如何。研究人员之前已经证明了多种基因组编辑方法的原理，但这项研究是第一次系统地比较这些不同策略的功效。
"我们仔细研究了用于对胎儿血红蛋白基因进行治疗性编辑的核酸酶和碱基编辑器的单个DNA序列结果。由于核酸酶通常产生许多不同DNA序列结果的复杂的、不受控制的混合物，我们表征了每个核酸酶编辑的序列如何影响胎儿血红蛋白表达。然后我们对基础编辑结果做了同样的事情，它们更加同质化，"共同通讯作者David Liu博士说。Richard Merkin，麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所教授，其实验室于2016年发明了碱基编辑。
该研究发现，在γ-珠蛋白启动子中最有效的位点使用碱基编辑实现了比Cas9编辑高2至4倍的HbF水平。他们进一步证明，这些碱基编辑可以通过将来自健康供体和SCD患者的血液干细胞植入免疫功能低下的小鼠中来保留。
解决安全问题
"最终，我们发现并非所有的基因方法都是相同的，”Yen 说。“与其他技术相比，基础编辑器可能能够创建更强大、更精确的编辑。但我们必须进行更多的安全测试和优化。"
当就安全性进行比较时，碱基编辑引起更少的遗传毒性事件，例如p53激活和大缺失。碱基编辑在其编辑和产品中更加一致-这是临床治疗非常理想的安全性。与产生被称为“插入缺失”的插入和缺失突变的不受控制的混合物的常规Cas9相比，碱基编辑产生精确的核苷酸变化，几乎没有不期望的副产物。
"在我们的比较中，我们发现了常规Cas9核酸酶的意想不到的问题，"Weiss说。“我们有点惊讶，并非每一个Cas9插入或缺失都会使胎儿血红蛋白升高到相同的程度，这表明该技术具有异质性生物学结果的潜力。“研究小组发现，与用碱基编辑处理的细胞相比，用相同的Cas9处理的造血干细胞衍生的单个红细胞产生的胎儿血红蛋白量更可变。因此，碱基编辑产生更有效、可靠和一致的结果，这是期望的治疗性质。
尽管碱基编辑效果良好，但研究人员尚未确定其在患者中的安全性。值得注意的是，基础编辑可能存在一些Cas9所没有的风险；例如，一些早期的碱基编辑可能会导致偏离靶位点的基因组DNA或RNA发生不希望的变化。该小组表明，这些变化相对较小，预计不会造成危害，但有必要进行更深入的研究来全面评估这些风险。
基因编辑治疗的未来
在整个研究过程中，科学家们直接比较了Cas9核酸酶在两个不同靶位点的性能，这些靶位点以不同的方式和碱基编辑诱导胎儿血红蛋白的产生。碱基编辑使用一种独特的编辑机制，直接将一个DNA碱基对转化为另一个，而不是将DNA双螺旋切割成两段。
Cas9核酸酶方法产生缺失和插入的混合物，损害BCL11A的表达或活性，BCL11A是一种众所周知的γ-珠蛋白基因阻遏物。相反，碱基编辑在γ珠蛋白启动子内产生了一个新的转录因子结合基序。Cas9核酸酶方法和不同的碱基编辑方法正在通过临床试验进行测试。圣犹达正在参与其中一些研究。
"测试和比较不同的基因组编辑方法对于治疗 SCD 和乙型海洋性贫血分子非常重要，因为最好的方法还不得而知，"韦斯说。
约翰 · 蒂斯代尔医学博士是这项研究的合著者，同时也是美国国家心肺血液研究所细胞和分子治疗学分部的负责人，他对此表示赞同。蒂斯代尔说: “基因编辑科学正在迅速发展，我们现在能够设想多种不同的战略来对抗镰刀型红血球疾病。”。“这些发现使我们距离广泛获得治疗方法的目标更近了一步。”
