吴宇轩博士等通过基因编辑治疗β-地中海贫血和镰刀状贫血疾病

β-地中海贫血(简称“β-地贫”)是一种常见的由于β-珠蛋白(β-globin)亚基突变导致成人血红蛋白(Adult Hemoglobin，HbA，由β-globin和α-globin组成)异常的遗传性疾病。异体造血干细胞移植可根治“地贫”，但限制条件太多，并不能得到广泛应用。临床发现，疾病严重程度与胎儿血红蛋白(Fetal Hemoglobin，HbF，由γ-globin和α-globin组成)的含量密切相关，部分病人体内HbF较多,则并发症较轻，死亡率也低，因此，增加病人体内HbF的含量是治疗或缓解这类贫血的重要方法之一。γ-globin是一种胎儿时期表达的珠蛋白，该珠蛋白具有和β-globin相似的功能，编码该蛋白的基因HBG在上述贫血患者中序列完好，但到成年期表达便会被沉默。因此，重新激活患者体内γ-globin基因的表达来弥补缺损的β-globin是近年来兴起的一种治疗策略。

先前研究发现，BCL11A 基因在红细胞中具有抑制γ-globin基因的表达的作用。这些研究提示，在患者造血干细胞中靶向编辑 BCL11A 红系增强子会重新激活HbF的表达，再将高效编辑后的造血干细胞移植给患者重建造血，可产生高表达HbF的红细胞，且不会影响淋巴细胞的分化、成熟【1,2】。

2019年3月25日，华东师范大学吴宇轩研究员、哈佛大学医学院及波士顿儿童医院曾静和Daniel E. Bauer教授团队在Nature Medicine杂志发表题为Highly efficient therapeutic gene editing of human hematopoietic stem cells的研究论文，该研究证实通过CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术有望彻底根治由β-globin珠蛋白突变引发的系列遗传疾病【3,4】。

首先，本研究通过比较不同的sgRNA，优化编辑系统，实现了CRISPR/Cas9 核糖核蛋白 (RNP) 在人CD34+造血干/祖细胞中的高效基因编辑，然后通过编辑红系特异增强子BCL11A +58位点造成BCL11A在红细胞中表达下调。在将编辑过后的CD34+细胞体外红系分化后，发现BCL11A的表达水平显著降低，同时HbF的含量得到极大提升。本研究还对多种地中海贫血类型的患者来源CD34+细胞进行了编辑，结果发现分化后的红细胞分化更加成熟、体积和形态都恢复至接近于健康细胞水平。但是，研究人员发现尽管其在人CD34+细胞实现了高达80%的编辑效率，编辑后的干细胞在移植至小鼠骨髓4个月后编辑效率却出现了大幅度下降 (降至约平均40%) 。研究人员推测这可能是因为CD34+细胞中比例极低但是对造血干细胞长期归巢和增殖有关键作用的长期造血干细胞 (LT-HSCs) 更不容易被Cas9编辑。因此，他们进一步优化了Cas9原核表达载体和编辑系统，使得CD34+细胞在体外的编辑效率进一步提高到了98%。

编辑后的造血干细胞移植至免疫缺陷小鼠体内4个月后仍然保持着90%以上的编辑效率，并且能在小鼠骨髓中成功重建人源血液系统，同时分化得到的红细胞含有高比例的HbF。另外，研究发现人长期造血干细胞LT-HSCs在被Cas9编辑后更倾向于被非同源末端连接 (NHEJ) 的方式修复，而非微同源末端连接(MMEJ)。最后，研究人员证明了镰刀状贫血病人来源的CD34+细胞也能被高效编辑且在编辑后移植至小鼠体内重建人源血液系统，同时红细胞中HbF的提升水平足以帮助细胞恢复正常形态，抵抗镰刀化。此外，研究人员还用CIRCLE-seq鉴定了一批潜在脱靶位点，并对潜在的脱靶位点和上百个可能的白血病突变位点进行了深度测序，结果显示这些位点并没有出现异常的插入或缺失，证实了Cas9 RNP介导的CD34+细胞中的基因编辑是一种极其安全的治疗策略。

综上，通过CRISPR/Cas9基因编辑技术编辑β-地中海贫血和镰刀状贫血患者造血干细胞中的BCL11A增强子位点，并进行自体造血干细胞移植，可以使得体内分化产生具有高比例HbF及正常功能血红蛋白的红细胞，从而有可能彻底根治此类疾病。相关临床实验已经于2018年获得FDA批准，由医药公司Vertex/CRISPR therapeutics主导，在美国和欧洲开展针对β-地中海贫血和镰状细胞病的I/II期临床实验。

通过CRISPR/Cas9基因编辑技术激活胎儿血红蛋白HbF，结合自体造血干细胞移植治疗血红蛋白病示意图(Lettre and Bauer. Lancet. 2016)

我国“地贫”基因携带者约3000万人，涉及近3000万家庭、一亿人口，其中重型和中间型“地贫”患者约30万人。而由于异体造血干细胞配型困难和血库资源不足，这些患者很多都不能得到有效治疗。因此，此项研究及其临床实验的推广有望为我国β-地中海贫血患者提供全新的基于自体干细胞移植的临床方案，造福广大患者和社会。 

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41591-019-0401-y

制版人：珂

参考文献

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2. J. Xu, C. Peng, V.G. Sankaran, Z. Shao, E.B. Esrick, B.G. Chong, G.C. Ippolito, Y. Fujiwara, B.L. Ebert, P.W. Tucker, Correction of Sickle Cell Disease in Adμlt Mice by Interference with Fetal Hemoglobin Silencing, Science, 334 (2011) 993-996.

3. D.E. Bauer, S.C. Kamran, L. Samuel, X. Jian, F. Yuko, L. Carrie, S. Zhen, M.C. Canver, E.C. Smith, P. Luca, An Erythroid Enhancer of BCL11A Subject to Genetic Variation Determines Fetal Hemoglobin Level, Science, 342 (2013) 253-257.

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