用 CRISPR 技术治疗镰刀型细胞贫血症 | Science Translational Medicine 论文推荐

小鼠体内的研究点亮了CRISPR-Cas9基因编辑技术的前景，同时也凸显了它所面临的巨大挑战。

撰文  Heidi Ledford

翻译  徐付琪

审校  赵维杰

异常形状的红细胞（暗红色）是镰刀型细胞贫血症的特征之一。

图片来源：Eye of Science/Science Photo Library

DNA 中单个碱基的突变可以导致镰刀型细胞贫血症，使患者身体虚弱，承受巨大痛苦。研究人员已经与其抗争了长达65年，而如今，CRISPR-Cas9 基因编辑技术成为了他们手中新的武器。

据2016年10月12日的 Science Translational Medicine 杂志报道，虽然距离临床应用还有很多年的距离，研究人员已经成功在小鼠体内修正了镰刀型细胞贫血症相关的基因突变。加州大学伯克利分校的生物化学家雅格·科恩（Jacob Corn）表示，目前的修正效率较低，不能满足实用要求。

但是此项研究和近期的其他成果,还是让科恩看到了在几年内对镰刀型细胞贫血症进行根本性治疗的希望。他说：“我们终于有可能针对根源性的基因突变，而不仅仅是外在的症状来治疗这种疾病了。”

世界上每年约有25万名新生儿患有镰刀型细胞贫血症，它是由红细胞中携带氧气的白血红蛋白的相关突变引起的。突变可能导致血管阻塞，阻碍氧气运输到身体组织并带来剧烈的疼痛。

柳暗花明

从理论上来看，治疗镰刀型细胞贫血症的措施简单直接：只要将骨髓造血干细胞中出错的基因纠正，患者就应当可以摆脱疾病的困扰。

就职于丹娜法伯癌症研究中心和马萨诸塞州波士顿儿童医院的血液病研究者斯图尔特·奥金（Stuart Orkin）表示：“这种疾病只涉及单个碱基的改变，所以可以成为基因修正疗法的代表。”

但是在实现这一目标的过程中，相关的公司和研究机构依旧步履维艰。即便是以简单高效著称的 CRISPR-Cas9 技术，也还没能完成这一工作。

研究人员可以使用 Cas9，或者其他基因编辑酶来靶向切割特定位点的基因，而切割之后的修复需要依赖细胞自身的 DNA 修复系统。往往，细胞内的自身修复会导致小片段 DNA 缺失，另一种修复途径则会在切割位点插入一段新序列。但是在镰刀型细胞贫血症中，我们需要针对很少分裂的骨髓造血干细胞进行操作，而基因修复过程在这类细胞中很少进行。

科恩和他的同事们找到了一种提高基因修正效率的方法。他们引入了携带修复后正常序列的小片段 DNA，它可以结合于 Cas9 酶切割过，但尚未开始修复的 DNA 链。在镰刀形细胞贫血症患者体内的细胞中，这种技术在修正错误基因的效率上提高了25%。

还是不够

接下来，研究人员尝试在小鼠体内进行基因修正，但是编辑效率急剧降低。相较于基因被正确修正的细胞，在编辑过程中发生 DNA 片段缺失的细胞的复制能力似乎更强。基因编辑后移植进入小鼠体内的细胞中，仅有最多5%可以产生正确的血红蛋白。

科恩说，距离最终解决病人的痛苦，尚有一步之遥。他补充道，一些医生表示他们愿意在临床试验中尝试他的方法，但是科恩认为在编辑效率提高前，这项技术用于人体还为时过早。

桑加莫生物科技公司（Sangamo Biosciences）的技术副总迈克尔·福尔摩斯（Michael Holmes）说，对于寻找基因编辑其他应用前景的科学家而言，这项精妙的技术是个喜讯。但是它同时呈现了另一个问题：在基因编辑后，会留下很多被 Cas9 酶切割过，并产生了 DNA 缺失的基因，其中的一些可能会编码产生异常的血红蛋白，引起另一种严重的疾病——乙型地中海贫血。

桑加莫公司正在积极解决这一问题。福尔摩斯表示，他们已经决定尝试另一种方案。桑加莫和领域内的其他工作者正试图使用基因编辑技术，来干扰一种能够阻止胎儿血红蛋白（fetal-haemoglobin）产生的基因的表达。胎儿血红蛋白在胎儿发育时期表达，有抵抗镰刀化的能力，增强其表达可以减少患者成人时期体内的异常血红蛋白。

福尔摩斯说，应用CRISPR-Cas9技术的最新实验结果显示，针对胎儿血红蛋白的靶向疗法或许是更安全的方式。“我们距离安全地修正基因还有很长的路要走。”

原文链接：

http://www.nature.com/news/crispr-deployed-to-combat-sickle-cell-anaemia-1.20782#/ref-link-1

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论文基本信息：

【题目】Selection-free genome editing of the sickle mutation in human adult hematopoietic stem/progenitor cells

【作者】Mark A. DeWitt, Wendy Magis, Nicolas L. Bray, Tianjiao Wang, Jennifer R. Berman, Fabrizia Urbinati, Seok-Jin Heo, Therese Mitros, Denise P. Muñoz, Dario Boffelli, Donald B. Kohn, Mark C. Walters, Dana Carroll, David I. K. Martin, Jacob E. Corn

【期刊】SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE

【日期】12 October 2016

【doi】10.1126/scitranslmed.aaf9336

【摘要】Genetic diseases of blood cells are prime candidates for treatment through ex vivo gene editing of CD34+ hematopoietic stem/progenitor cells (HSPCs), and a variety of technologies have been proposed to treat these disorders. Sickle cell disease (SCD) is a recessive genetic disorder caused by a single-nucleotide polymorphism in the β-globin gene (HBB). Sickle hemoglobin damages erythrocytes, causing vasoocclusion, severe pain, progressive organ damage, and premature death. We optimize design and delivery parameters of a ribonucleoprotein (RNP) complex comprising Cas9 protein and unmodified single guide RNA, together with a single-stranded DNA oligonucleotide donor (ssODN), to enable efficient replacement of the SCD mutation in human HSPCs. Corrected HSPCs from SCD patients produced less sickle hemoglobin RNA and protein and correspondingly increased wild-type hemoglobin when differentiated into erythroblasts. When engrafted into immunocompromised mice, ex vivo treated human HSPCs maintain SCD gene edits throughout 16 weeks at a level likely to have clinical benefit. These results demonstrate that an accessible approach combining Cas9 RNP with an ssODN can mediate efficient HSPC genome editing, enables investigator-led exploration of gene editing reagents in primary hematopoietic stem cells, and suggests a path toward the development of new gene editing treatments for SCD and other hematopoietic diseases.

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