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    邦耀科學團隊《Nature Medicine》又發文:新一代單堿基編輯技術有望治愈β-地中海貧血和鐮刀狀貧血癥

    2020-03-17

    2020年3月17日,國際著名學術期刊《Nature Medicine》在線發表了邦耀生物科學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。該研究證實通過新一代單堿基編輯技術有望徹底根治由β-globin珠蛋白突變引發的系列遺傳疾病[1]。來自哈佛大學醫學院及波士頓兒童醫院Daniel Bauer教授實驗室的曾靜、華東師范大學吳宇軒研究員、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家團隊近一年來,繼發表在《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(2015)》的數據顯示,目前我國“地貧”基因攜帶者約3000萬人,涉及一億家庭人口,且中度至重癥地貧患者約30萬人且正以每年約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。

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    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)。地中海貧血的重癥患者大概有30萬,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。

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    γ-globin是一種胎兒時期表達的珠蛋白,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被沉默。邦耀科學家團隊在先前的研究發現,利用基因編輯技術重新開啟胎兒期的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]。

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    2019年3月,邦耀生物科學家吳宇軒博士曾在《Nature Medicine》發文,發現利用基因編輯技術靶向編輯BCL11A紅系增強子,會重新開啟γ珠蛋白表達,代替有缺陷的β珠蛋白,有望達到根治此類疾病的目的[2]。2020年1月8日,邦耀生物科學家李大力博士又在國際著名學術期刊《Cell Research》發文,通過在造血干細胞中建立超高效的基因編輯技術體系,模擬在部分人群中天然存在的γ珠蛋白啟動子突變,可以重新激活胎兒血紅蛋白HbF,為β珠蛋白突變引發的系列遺傳疾病,提供了安全有效的靶點和方法[3]。


    圖1.基于基因編輯技術治療地貧的策略(來自邦耀生物網站)

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    單堿基基因編輯技術(base editors,BEs),指能在基因組上引起單個堿基改變的基因編輯技術,可在不形成DNA雙鏈斷裂的情況下對靶基因位點的單個堿基進行胞嘧啶C→胸腺嘧啶T或腺嘌呤A→鳥嘌呤G的精準編輯。近年來由于單堿基編輯技術的強大、高效,以及不會產生DNA雙鏈斷裂等特點,逐漸成為人們關注的熱點,有望在未來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)將極有可能是一個絕佳的策略。

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    本研究通過優化的單堿基編輯技術編輯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,或者直接修復發生突變的HBB基因,并進行自體造血干細胞移植,可以使其在體內分化產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疾病。同時也證實單堿基編輯技術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:

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    1、優化的單堿基編輯系統,激活胎兒血紅蛋白的表達


    首先,本研究通過優化的單堿基編輯系統,實現了在人CD34+造血干/祖細胞中的高效基因編輯,然后通過編輯紅系特異增強子BCL11A+58位點造成BCL11A在紅細胞中表達下調。再將編輯過后的CD34+細胞體外紅系分化后,發現BCL11A的表達水平顯著降低,同時HbF的含量得到極大提升。


    同時還對-28型地中海貧血類型(-28(A/G)是中國地貧人群中常見的突變位點之一)的患者來源CD34+細胞進行了編輯,同時嘗試了通過單堿基編輯器同時改變HBB -28和BCL11A+58雙位點,結果發現分化后的紅細胞更加成熟、體積和形態都恢復至接近于健康細胞水平。


    接著,研究人員證實了編輯后的干細胞在移植至小鼠骨髓4個月后仍然保持著極高的編輯效率,且HSC更傾向于C>T編輯,同時能在體內激活紅細胞中胎兒血紅蛋白的表達。


    ?圖2.通過單堿基編輯技術編輯β-地中海貧血患者造血干細胞


    圖3.新一代單堿基編輯工具編輯后的CD34+細胞可以在小鼠骨髓中長期歸巢并保持高效率的C>T堿基編輯

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    2、SCD患者的細胞編輯后,HbF水平提升且細胞恢復正常形態


    最后,研究人員證明了鐮刀狀貧血病人來源的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,同時紅細胞中HbF的提升水平足以幫助細胞恢復正常形態,抵抗鐮刀化。


    圖4.鐮刀狀貧血患者來源CD34+細胞經單堿基編輯后產生的紅細胞可以抵抗鐮刀化

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    據統計,在我國β-地中海貧血的患病率是2.21%,其類型達48種。基因編輯技術介導的基因治療是精準醫學領域的一大突破,利用單堿基編輯技術重新激活胎兒血紅蛋白的表達,也為β-地中海貧血的個性化治療提供了可能性。

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    目前邦耀生物團隊正積極進行科技成果轉化,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,并有望實現“一次治療終身治愈”的療效。與在基因治療方面處于領先地位的BlueBird Bio公司的慢病毒療法LentiGlobin (商品名:Zynteglo,定價高達177萬美元,名副其實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,并且目前國內還沒有利用此方法治療地中海貧血的臨床實驗,有望成為國內首批進入臨床階段的基因編輯治療產品。


    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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