2020年3月17日，國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《Nature Medicine》在線(xiàn)發(fā)表了邦耀生物科學(xué)家吳宇軒博士在基因治療方向的題為“Therapeutic base editing of human hematopoietic stem cells”的研究成果。該研究證實(shí)通過(guò)新一代單堿基編輯技術(shù)有望徹底根治由β-globin珠蛋白突變引發(fā)的系列遺傳疾病[1]。
來(lái)自哈佛大學(xué)醫學(xué)院及波士頓兒童醫院Daniel Bauer教授實(shí)驗室的曾靜、華東師范大學(xué)吳宇軒研究員、波士頓兒童醫院任春妍為共同第一作者。這也是邦耀生物科學(xué)家團隊近一年來(lái)，繼發(fā)表在《Nature Medicine》、《Cell Research》等期刊的成果后，又一次在基因治療地中海貧血領(lǐng)域的重大突破。
地中海貧血是全球分布最廣、累及人群最多的一種單基因遺傳病，根據《中國地中海貧血防治藍皮書(shū)(2015)》的數據顯示，目前我國“地貧”基因攜帶者約3000萬(wàn)人，涉及一億家庭人口，且中度至重癥地貧患者約30萬(wàn)人且正以每年約10％的速度遞增。異體造血干細胞移植是目前根治“地貧”的方法，但花費巨大，且配型極其困難，使得基因治療有望成為新的治療選擇。
β-地中海貧血（β-Thalassemia，地貧）是一種由于β-珠蛋白(β-globin)亞基突變導致患者自身的成人血紅蛋白(HbA)異常的遺傳性疾病，是全球分布最廣、累及人群最多的一種單基因遺傳病。其中我國β地中海貧血的檢出率為0.67%（約935萬(wàn)）。地中海貧血的重癥患者大概有30萬(wàn)，我國的重癥地貧患者主要分布在廣東、廣西、貴州、海南和云南等地。異體造血干細胞移植是根治“地貧”的方法，但花費巨大，且配型極其困難，使得基因治療有望成為新的治療選擇。
γ-globin是一種胎兒時(shí)期表達的珠蛋白，該珠蛋白具有和β-globin相似的功能，編碼該蛋白的基因HBG在上述貧血患者中序列完好，但到成年期表達便會(huì )被沉默。邦耀科學(xué)家團隊在先前的研究發(fā)現，利用基因編輯技術(shù)重新開(kāi)啟胎兒期的γ珠蛋白的表達，代替有缺陷的β珠蛋白，很有可能成為緩解甚至治愈地貧的治療方法。[2-3]。
2019年3月，邦耀生物科學(xué)家吳宇軒博士曾在《Nature Medicine》發(fā)文，發(fā)現利用基因編輯技術(shù)靶向編輯BCL11A紅系增強子，會(huì )重新開(kāi)啟γ珠蛋白表達，代替有缺陷的β珠蛋白，有望達到根治此類(lèi)疾病的目的[2]。2020年1月8日，邦耀生物科學(xué)家李大力博士又在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《Cell Research》發(fā)文，通過(guò)在造血干細胞中建立超高效的基因編輯技術(shù)體系，模擬在部分人群中天然存在的γ珠蛋白啟動(dòng)子突變，可以重新激活胎兒血紅蛋白HbF，為β珠蛋白突變引發(fā)的系列遺傳疾病，提供了安全有效的靶點(diǎn)和方法[3]。
單堿基基因編輯技術(shù)（base editors，BEs），指能在基因組上引起單個(gè)堿基改變的基因編輯技術(shù)，可在不形成 DNA 雙鏈斷裂的情況下對靶基因位點(diǎn)的單個(gè)堿基進(jìn)行胞嘧啶 C→胸腺嘧啶 T 或腺嘌呤A→鳥(niǎo)嘌呤G 的精準編輯。近年來(lái)由于單堿基編輯技術(shù)的強大、高效，以及不會(huì )產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂等特點(diǎn)，逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，有望在未來(lái)的基因治療中大顯身手。因此，利用單堿基治療β-血紅蛋白病（如地中海貧血）將極有可能是一個(gè) 的策略。
本研究通過(guò)優(yōu)化的單堿基編輯技術(shù)編輯β-地中海貧血和鐮刀狀貧血患者造血干細胞中的BCL11A增強子位點(diǎn)，或者直接修復發(fā)生突變的HBB基因，并進(jìn)行自體造血干細胞移植，可以使其在體內分化產(chǎn)生具有正常功能血紅蛋白的紅細胞，從而有可能徹底根治此類(lèi)疾病。同時(shí)也證實(shí)單堿基編輯技術(shù)在造血干細胞的基因治療應用中的巨大潛力，為地中海貧血及鐮刀狀貧血的臨床治療提供了新的解決方案。具體策略如下：
1. 優(yōu)化的單堿基編輯系統，激活胎兒血紅蛋白的表達
首先，本研究通過(guò)優(yōu)化的單堿基編輯系統，實(shí)現了在人CD34+造血干/祖細胞中的高效基因編輯，然后通過(guò)編輯紅系特異增強子BCL11A +58位點(diǎn)造成BCL11A在紅細胞中表達下調。再將編輯過(guò)后的CD34+細胞體外紅系分化后，發(fā)現BCL11A的表達水平顯著(zhù)降低，同時(shí)HbF的含量得到極大提升。
同時(shí)還對-28型地中海貧血類(lèi)型（-28(A/G)是中國地貧人群中常見(jiàn)的突變位點(diǎn)之一）的患者來(lái)源CD34+細胞進(jìn)行了編輯，同時(shí)嘗試了通過(guò)單堿基編輯器同時(shí)改變HBB -28和BCL11A +58雙位點(diǎn)，結果發(fā)現分化后的紅細胞更加成熟、體積和形態(tài)都恢復至接近于健康細胞水平。
接著(zhù)，研究人員證實(shí)了編輯后的干細胞在移植至小鼠骨髓4個(gè)月后仍然保持著(zhù)極高的編輯效率，且HSC更傾向于C>T編輯，同時(shí)能在體內激活紅細胞中胎兒血紅蛋白的表達。
2. SCD患者的細胞編輯后，HbF水平提升且細胞恢復正常形態(tài)
最后，研究人員證明了鐮刀狀貧血病人來(lái)源的CD34+細胞也能被高效編輯且在編輯后移植至小鼠體內重建人源血液系統，同時(shí)紅細胞中HbF的提升水平足以幫助細胞恢復正常形態(tài)，抵抗鐮刀化。
據統計，在我國β-地中海貧血的患病率是2.21%，其類(lèi)型達48種。基因編輯技術(shù)介導的基因治療是精準醫學(xué)領(lǐng)域的一大突破，利用單堿基編輯技術(shù)重新激活胎兒血紅蛋白的表達，也為β-地中海貧血的個(gè)性化治療提供了可能性。
目前邦耀生物團隊正積極進(jìn)行科技成果轉化，與國內多家頂級醫療單位攜手，希望借此項研究及其臨床實(shí)驗的推廣，使得基于基因編輯的基因治療成為我國β-地中海貧血患者全新的臨床治療方案，并有望實(shí)現“一次治療終身治愈”的療效。與在基因治療方面處于 地位的BlueBird Bio公司的慢病毒療法LentiGlobin (商品名：Zynteglo，定價(jià)高達177萬(wàn)美元，名副其實(shí)的成為了全球第二昂貴的藥物)相比，邦耀生物采用的治療方案，更為高效、便捷和安全，且成本極大降低。并且目前國內還沒(méi)有利用此方法治療地中海貧血的臨床實(shí)驗，有望成為國內首批進(jìn)入臨床階段的基因編輯治療產(chǎn)品。
參考資料：
[1] Zeng J, Wu Y, Ren C, Bauer DE, et al. Therapeutic base editing of human hematopoietic stem cells. Nature Medicine, 2020
[2] Wu Y, Zeng J, Roscoe BP, Liu P, Yao Q, Lazzarrotto CR, Clement MK, Cole MA, Luk K, Baricordi C, Shen AH, Esrick EB, Manis JP, Dorfman DM, Williams DA, Biffi A, Brugnara C, Biasco L, Brendel C, Pinello L, Tsai SQ, Wolfe SA, Bauer DE (2018) Highly efficient therapeutic gene editing of human hematopoietic stem cells. Nature Medicine, 2019
[3] Wang L, Li L, Ma Y, Hu H, et al. Reactivation of γ-globin Expression through Cas9 or Base Editor to Treat β-Hemoglobinopathies. Cell Research, 2020,1
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