镰状细胞病(SCD)是最常见的致命遗传疾病，每年影响全球超过30万新生儿。它会导致慢性疼痛，器官衰竭，以及患者的早期死亡。由麻省理工学院(Broad Institute of MIT)、哈佛大学(Harvard)和圣裘德儿童研究医院(St. Jude Children’s Research Hospital)的研究人员领导的一个团队现在展示了一种碱基编辑方法，可以有效纠正患者血液干细胞和小鼠体内SCD的突变。这种基因编辑治疗挽救了动物模型中的疾病症状，使健康血细胞的长期生产成为可能。

SCD的根源是血红蛋白基因(HBB)的两个突变副本，导致红细胞从圆形圆盘变成镰刀状，引发一系列事件，导致器官损伤、反复疼痛和早期死亡。在这项研究中，研究人员使用了一种名为碱基编辑的分子技术，在人类造血细胞和SCD小鼠模型中，直接将致病DNA的单个字母转化为无害的HBB基因变体。

“我们能够使用定制的碱基编辑器在细胞和动物模型中纠正致病变异，而不需要双链DNA断裂或向基因组中插入新的DNA片段，”共同高级作者David Liu说。“这是一个团队努力，我们希望碱基编辑将为镰状细胞病的治疗策略提供一个有前途的基础。”

“我们的研究说明了多学科合作在为遗传疾病创造基于机制的新治疗方法方面的力量和令人兴奋的地方，”圣犹德血液学系主任、共同高级作者Mitchell Weiss说。“特别是，我们结合了蛋白质工程、碱基编辑和红细胞生物学方面的专业知识，创造了一种治疗并可能治愈镰状细胞疾病的新方法。”

这项研究发表在《Nature》杂志上。

一种改进的方法

目前，治愈SCD的唯一方法是骨髓移植，但为患者找到合适的骨髓捐赠者很困难，接受移植的患者可能会遭受危险的副作用。虽然有许多正在开发的基因编辑疗法可以通过直接修改患者自身的骨髓来避免这些风险，但这些实验性疗法依赖于引入新的DNA或在细胞中切割基因组DNA，这也可能导致不良影响。

为了这项工作，研究团队使用了所谓的“腺嘌呤碱基对编辑器”，这是David Liu的实验室开发的一种分子工具，可以针对特定的基因序列，将DNA碱基对A * T转化为G* C，在单个核苷酸水平上改变一个基因。

本研究中使用的碱基编辑器由一种实验室进化的Cas9变体（一种CRISpR相关蛋白，将碱基编辑器定位在基因组中突变的HBB位点）和一种实验室进化的酶组成，后者将目标A转化为一种类似G的成对碱基。碱基编辑器还引导细胞修复互补的DNA链，完成目标A*T碱基对到G*C的转换。

镰状细胞病背后的单一DNA突变是健康血红蛋白基因中的一个A，该基因已被改变为T。虽然腺嘌呤碱基编辑器不能逆转这种变化，但它可以将T转换成C。这个编辑将危险形式的血红蛋白转化为一种自然发生的非致病性变体，称为“血红蛋白Makassar”

在模型中编辑

研究小组首先将腺嘌呤碱基编辑器引入从人类SCD患者分离的造血干细胞中。在这些实验中，高达80%的致病性血红蛋白变异体被成功地编辑成良性Makassar变异体，只有极少的编辑实例导致血红蛋白的不期望的变化。

研究人员将这些经过编辑的造血干细胞移植到小鼠模型中，观察它们在活体动物中的功能。16周后，经过编辑的细胞仍能产生健康的血细胞。

移植后16周，干细胞中的编辑频率为68%。干细胞中的编辑可能包含血红蛋白基因的两个拷贝，也可能只有一个拷贝，或者两个拷贝都没有。“我们特别兴奋地看到，近90%的细胞至少含有一个血红蛋白编辑副本，”研究人员解释说。“即使是那些只有一个编辑副本的细胞似乎也受到了保护，不会患上镰刀病。”

在另一组实验中，研究人员从携带人类镰状细胞病变体的小鼠身上提取造血干细胞，对其进行编辑，并将编辑后的细胞移植到另一组受体小鼠体内。对照组小鼠移植了未经编辑的细胞，表现出典型的症状：红细胞呈镰状，红细胞寿命短，脾脏肿大。相比之下，移植了编辑过的细胞的小鼠与对照组相比，在每一个被测疾病指标上都有所改善，所有被测血液参数的水平几乎与健康动物无法区分。

最后，为了证实对靶血干细胞的持久编辑，研究人员进行了二次移植，从16周前接受过编辑细胞的小鼠身上取出骨髓，并将血干细胞移植到一组新的小鼠体内。在新的动物队列中，经过编辑的细胞继续表现出与健康造血干细胞相似的性能，证实了碱基编辑的效果是持久的。研究小组确定，编辑至少20%的致病性血红蛋白基因足以使小鼠的血液指标保持在健康水平。

“在这些最后的实验阶段，我们证明了一个大约20%的编辑阈值对于减轻小鼠的这种疾病是必要的。这种碱基编辑策略的效率远远超过了基准，”Liu解释说。“这种方法有望成为镰状细胞病一次性治疗或甚至一次性治愈的基础。”

研究人员和其他合作伙伴正致力于将这一概念安全有效地应用到其他临床前研究中，最终目标是将其应用到患者身上。

原文检索：Base editing of haematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice