下一代基因治療指向堿基編輯

2021年8 月 26 日——堿基編輯已成為基因治療領(lǐng)域一個(gè)杰出且有前途的新參與者。基礎(chǔ)編輯技術(shù)的創(chuàng)新是快節(jié)奏的，不斷產(chǎn)生新的、更高效和特定的編輯器。最近，多項(xiàng)體內(nèi)動(dòng)物研究為堿基編輯在罕見(jiàn)遺傳疾病及其他疾病的治療應(yīng)用提供了概念驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

今年注定是基因編輯療法史上值得紀(jì)念的一年。Vertex Pharmaceuticals 和 CRISPR Therapeutics 宣布，接受離體 CRISPR 修飾細(xì)胞療法治療鐮狀細(xì)胞病和 β 地中海貧血的患者在初始治療一年后仍獨(dú)立于輸血，沒(méi)有明顯的副作用。

Intellia Therapeutics 和 Regeneron Pharmaceuticals 最近公布了他們關(guān)于有史以來(lái)第一個(gè)全身性給藥的體內(nèi)基因編輯療法的數(shù)據(jù)。在這項(xiàng)試驗(yàn)中，受轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣影響的患者在 CRISPR-Cas9 靶向功能失調(diào)的蛋白質(zhì)后顯示出血清中致病蛋白水平降低，這是一種危及生命的疾病，其特征是錯(cuò)誤折疊的轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白在組織中積累。

由 Editas Medicine 領(lǐng)導(dǎo)的基于 CRISPR 的試驗(yàn)的數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)將于今年公布，該試驗(yàn)旨在治愈 Leber 先天性黑蒙 (LCA)，這是最常見(jiàn)的遺傳性兒童失明形式。這些令人鼓舞的進(jìn)展推動(dòng) CRISPR-Cas9 編輯向前發(fā)展，以尋求治愈罕見(jiàn)的、使人衰弱的遺傳疾病。

盡管這一消息令人興奮，但這些創(chuàng)新的基因療法引起了安全問(wèn)題。CRISPR-Cas9 通過(guò)切割 DNA 啟動(dòng)基因組編輯過(guò)程，在目標(biāo)位點(diǎn)引入雙鏈斷裂 (DSB)。這會(huì)在修復(fù)部位產(chǎn)生 DNA 堿基對(duì)的半隨機(jī)插入和缺失(插入缺失)。

除了預(yù)期的目標(biāo)位點(diǎn)外，這些事件還可能發(fā)生在基因組中的非預(yù)期位點(diǎn)，導(dǎo)致不需要的編輯和潛在的有害染色體重排，尤其是在靶向多個(gè)位點(diǎn)時(shí)。不良修飾很少見(jiàn)，但可能具有致癌和/或毒副作用。隨著插入缺失的產(chǎn)生，CRISPR-Cas 技術(shù)可以有效地破壞基因或致病蛋白，但在考慮治療應(yīng)用時(shí)不足以精確或有效地引入特定的 DNA 變化。

進(jìn)入基礎(chǔ)編輯

一種新的 CRISPR 衍生技術(shù)，堿基編輯，于 2016 年開(kāi)始發(fā)揮作用，它繞過(guò)了為成功編輯而產(chǎn)生 DSB 的需要。依賴于催化受損的 CRISPR-Cas 復(fù)合物募集到靶位點(diǎn)的脫氨酶，堿基編輯促進(jìn)了無(wú)縫堿基轉(zhuǎn)換，允許在越來(lái)越多的其他治療應(yīng)用中進(jìn)行基因校正和沉默。

基因治療領(lǐng)域的這個(gè)有前途的參與者主要有兩類(lèi)：胞苷堿基編輯器 (CBE)，介導(dǎo)胞嘧啶-鳥(niǎo)嘌呤到胸腺嘧啶 - 腺嘌呤的轉(zhuǎn)化，以及腺嘌呤堿基編輯器 (ABE)，其誘導(dǎo)腺嘌呤 - 胸腺嘧啶到鳥(niǎo)嘌呤 - 胞嘧啶的轉(zhuǎn)化，理論上允許校正所有轉(zhuǎn)換突變。對(duì)于罕見(jiàn)疾病的應(yīng)用，該技術(shù)涉及直接將致病突變恢復(fù)為正確的序列。

一個(gè)很好的例子來(lái)自一項(xiàng)研究，該研究為早衰癥(或 Hutchinson-Gilford 早衰癥綜合征)兒童帶來(lái)了希望，這是一種以過(guò)早衰老為特征的致命疾病。研究人員使用 ABE 來(lái)恢復(fù)層粘連蛋白 A 基因中的 G 到 A 突變，該突變導(dǎo)致錯(cuò)誤剪接和有毒蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。在這項(xiàng)研究中，通過(guò)降低小鼠模型中的有毒蛋白質(zhì)水平，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種器官的致病突變的實(shí)質(zhì)性糾正，與未治療的對(duì)照組相比，壽命延長(zhǎng)了三倍。該策略有可能成為早衰癥的首個(gè)治愈方法，這種一次性治療可以永久糾正疾病的根本原因，并延長(zhǎng)受影響兒童的壽命和生活質(zhì)量。

在受 LCA 影響的成年小鼠中也取得了非常令人鼓舞的結(jié)果。通過(guò)在眼睛中使用慢病毒傳遞的 ABE，RPE65 基因中的無(wú)義突變被恢復(fù)，視覺(jué)功能恢復(fù)接近正常。

堿基編輯也證明了它在通過(guò)宮內(nèi)分娩糾正出生前疾病突變方面的功效。Hurler 綜合征是一種多器官溶酶體貯積病，在產(chǎn)前發(fā)生并導(dǎo)致產(chǎn)后早期心肺死亡。IDUA 基因中的致病突變(G 到 A)導(dǎo)致 α-糖苷酸酶缺乏和糖胺聚糖的溶酶體積累。已證明在子宮內(nèi)遞送 ABE 可在該疾病的小鼠模型中有效地重建胚胎肝細(xì)胞和心肌細(xì)胞的正確基礎(chǔ)，改善存活率以及心臟代謝和肌肉骨骼功能。這為治療產(chǎn)前發(fā)病和有限的產(chǎn)后治療的疾病提供了機(jī)會(huì)。

堿基編輯也可用于通過(guò)引入無(wú)義突變或改變剪接位點(diǎn)以產(chǎn)生過(guò)早終止密碼子來(lái)禁用致病或有毒蛋白質(zhì)。該策略已被用于破壞導(dǎo)致肌萎縮側(cè)索硬化 (ALS)的有毒蛋白質(zhì)，一種致命的神經(jīng)退行性疾病。大約 20% 的 ALS 患者的 SOD1 基因發(fā)生突變，導(dǎo)致產(chǎn)生有毒蛋白質(zhì)。在 ALS 小鼠模型中，通過(guò)在脊髓中傳遞的 CBE 進(jìn)行堿基編輯，在 SOD1 基因中引入了無(wú)義突變，導(dǎo)致突變蛋白水平降低，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元存活率增加。盡管疾病的發(fā)作不受治療的影響——很可能是由于堿基編輯器對(duì)受影響細(xì)胞的傳遞效率低——但干預(yù)減緩了疾病的進(jìn)展，并增加了接受治療的小鼠的存活率和神經(jīng)肌肉能力. 堿基編輯器交付方面的進(jìn)步為 ALS 的治療提供了更多的希望和機(jī)會(huì)。

跳過(guò)有害外顯子是使用堿基編輯器成功實(shí)施的另一種策略。Duchenne 型肌營(yíng)養(yǎng)不良癥 (DMD) 通常是由突變破壞了抗肌萎縮蛋白基因的正確剪接導(dǎo)致單個(gè)或多個(gè)外顯子丟失所致。外顯子 51 的缺失是 DMD 患者中最常見(jiàn)的單外顯子缺失突變之一，導(dǎo)致引入過(guò)早終止密碼子并產(chǎn)生非功能性截短的抗肌萎縮蛋白，這是嚴(yán)重肌肉退化表型的原因?？茖W(xué)家使用 ABE 系統(tǒng)破壞剪接位點(diǎn)并誘導(dǎo)外顯子與過(guò)早終止密碼子的跳躍。 在攜帶外顯子 51 缺失的小鼠模型中，肌纖維中的功能性肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白通過(guò)該系統(tǒng)恢復(fù)。這些結(jié)果支持了一種新的治療策略，該策略可以在大量患者中恢復(fù)骨骼肌和心肌功能。

罕見(jiàn)病以外的堿基編輯

除了罕見(jiàn)疾病領(lǐng)域之外，堿基編輯還有可能解決非傳染性疾病，正如最近在非人類(lèi)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中進(jìn)行的臨床前研究所證明的那樣。ABE 對(duì) PCSK9 基因的肝臟特異性失活可持久降低接受治療的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中膽固醇和甘油三酯的循環(huán)水平，這提供了初步但有力的證據(jù)，表明堿基編輯可以為冠狀動(dòng)脈疾病提供安全的“一次性”治療，這是主要原因全世界的死亡人數(shù)。

這種方法的首次人體試驗(yàn)即將開(kāi)始，重點(diǎn)是受遺傳疾病影響的患者：家族性高膽固醇血癥。一旦確定了安全性和有效性，該策略就有可能更廣泛地應(yīng)用于所有患有或有患上危及生命的動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的患者。

在地平線上

這并不代表基因治療領(lǐng)域中堿基編輯應(yīng)用程序的詳盡列表?？茖W(xué)家們已經(jīng)為其他未滿足的疾病提供了令人信服的數(shù)據(jù)，還有許多其他疾病可能是目標(biāo)。據(jù)估計(jì)，堿基編輯器可以糾正 37% 導(dǎo)致 4,000 種疾病發(fā)展的致病性單核苷酸變異。

堿基編輯器的持續(xù)快速發(fā)展以實(shí)現(xiàn)更高的編輯效率和特異性，以及交付方式的改進(jìn)，使科學(xué)和臨床社區(qū)對(duì)該技術(shù)不僅在管理，而且在治療遺傳疾病方面即將取得成功充滿樂(lè)觀和興奮。

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