iNature

镰状细胞病(SCD)是由β-珠蛋白基因(HBB)的A·T到T·A转化突变引起的。

2023年4月17日，博德研究所/哈佛大学刘如谦及圣裘德儿童研究医院Jonathan S. Yen共同通讯在Nature Biomedical Engineering（IF=29）在线发表题为“Ex vivo prime editing of patient haematopoietic stem cells rescues sickle-cell disease phenotypes after engraftment in mice”的研究论文，该研究表明患者造血干细胞的体外先导编辑在小鼠移植后挽救镰状细胞病表型。该研究表明，在SCD患者的造血干细胞和祖细胞(HSPCs)中，先导编辑可以以15%-41%的频率将SCD等位基因(HBBS)纠正为野生型(HBBA)。在移植到免疫缺陷小鼠17周后，先导编辑的SCD HSPCs保持了HBBA水平，并显示出与来自健康供体的未编辑的HSPCs相似的移植物频率、造血分化和谱系成熟。

从4名SCD患者供体移植经过基因编辑的HSPCs 17周后，平均42%的人红母细胞和网织红细胞表达HBBA，超过了预期的治疗获益水平。HSPC来源的红细胞携带较少的镰状血红蛋白，HBBA来源的成人血红蛋白含量为正常水平的28%-43%，并抵抗缺氧诱导的镰状血红蛋白。通过无偏倚全基因组分析，在超过100个实验指定的位点上检测到最小的脱靶编辑。总之，该研究结果支持一次性先导编辑SCD治疗的可行性，该治疗将HBBS纠正为HBBA，不需要任何病毒或非病毒DNA模板，并最大限度地减少DNA双链断裂的不良后果。

镰状细胞病(SCD)是一种常染色体隐性遗传疾病，由血红蛋白亚基β (HBB)基因的A·T-to-T·A突变引起，导致致病性镰状细胞等位基因(HBBS)编码Glu 6→Val (E6V)取代。这种突变将正常成人β-珠蛋白(βA)改变为镰状β-珠蛋白(βS)，并将正常成人血红蛋白(HbA，α2β2)替换为镰状血红蛋白(HbS，α2βs2)。在低氧张力下，HbS形成刚性聚合物，导致特征红细胞(RBC)形状改变，并启动复杂的病理生理，包括溶血、微血管阻塞和炎症。临床表现为贫血、免疫缺陷、多器官损伤、严重的急慢性疼痛、过早死亡。

FDA批准的唯一治疗SCD的方法是异基因造血干细胞移植。然而，大多数患者缺乏理想的供体，并且该手术与严重的毒性相关，包括移植物抗宿主病和移植物排斥反应。纠正患者自身的造血干细胞(HSCs)绕过了免疫并发症，并消除了对组织相容供体的需要。目前在临床试验中检测的SCD造血干细胞和祖细胞(HSPCs)的治疗操作策略包括抗镰状β样珠蛋白的慢病毒表达和使用基因组编辑核酸酶或碱基编辑器激活γ-珠蛋白基因转录以诱导胎儿血红蛋白(HbF，α2γ2)。一项使用Cas9核酸酶启动的同源定向修复(HDR)和腺相关病毒6型(AAV6)传递的DNA模板来纠正SCD突变的临床试验由于一名患者出现输血依赖性全细胞减少而停止。另一种基于HDR的策略使用非病毒传递单链寡脱氧核苷酸供体已被批准进行临床试验。

健康供体和SCD患者CD34+ HSPCs中启动编辑HBB的优化（图源自Nature Biomedical Engineering ）

作者最近报道了一种碱基编辑策略，使用腺嘌呤碱基编辑器将致病的HBBS等位基因转化为非致病的自然发生的Makassar等位基因(HBBG)。虽然每种策略都有明显的优点和缺点，但恢复SCD E6V替换(需要T·A到A·T转换)是最生理的疾病矫正方法。然而，碱基编辑器不能将T·A转化为A·T，并且核酸酶介导的HbF诱导或HDR介导的HBB纠正需要双链DNA断裂(DSBs)，这会导致靶向功能缺失插入和缺失(indel)突变的不受控制的混合，p53激活和染色体异常。此外，需要通过AAV转导共同传递HDR模板的策略有可能损害HSC移植，从而导致输血依赖性全血细胞减少。

综上所述，该研究在人类造血干细胞中建立了一个早期的治疗性先导编辑的例子，并证明了一次性自体SCD治疗的潜在策略，直接将镰状珠蛋白等位基因纠正回野生型HBB，而不需要DSBs或供体DNA模板。

原始出处：

Everette， K.A.， Newby， G.A.， Levine， R.M. et al. Ex vivo prime editing of patient haematopoietic stem cells rescues sickle-cell disease phenotypes after engraftment in mice. Nat. Biomed. Eng (2023). https：//doi.org/10.1038/s41551-023-01026-0.

Tags： NBE：只要1次！刘如谦等团队合作通过先导编辑治疗镰状细胞病