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Nat Med:利用新型碱基编辑器有望治疗遗传疾病

新生儿的父母可能都了解一种称为苯丙酮尿症(phenylketonuria)的代谢障碍。在瑞士,所有新生儿都会接受这种遗传疾病的筛查。经发现患有苯丙酮尿症的儿童需要吃特殊饮食,这样苯丙氨酸就不会在体内堆积。过量的苯丙氨酸会迟滞精神和运动发育。如果这种遗传疾病不及时加以治疗的话,儿童可能会遭受严重的精神残疾。

这种代谢障碍的病因是编码苯丙氨酸羟化酶(phenylalanine hydroxylase, Pah)的基因发生突变。这种由肝细胞产生的酶代谢苯丙氨酸。这种代谢障碍是一种“常染色体隐性”遗传疾病:儿童如果从母亲那里遗传一个突变基因拷贝和从父亲那里遗传一个突变基因拷贝,那么就会患上这种疾病。到目前为止,这种疾病仍然是无法治愈的。

改进的CRISPR/Cas9系统

在一项新的研究中,来自瑞士苏黎世联邦理工学院和苏黎世大学的研究人员利用一种方法纠正肝细胞中的两个突变基因拷贝,从而治愈这种疾病。他们取得成功,至少是在小鼠体内。相关研究结果发表在2018年10月的Nature Medicine期刊上,论文标题为“Treatment of a metabolic liver disease by in vivo genome base editing in adult mice”。论文通信作者为苏黎世联邦理工学院的Gerald Schwank教授。

图片来自Nature Medicine, doi:10.1038/s41591-018-0209-1。


在利用一种酶加以强化的CRISPR/Cas9系统的帮助下,这些研究人员改变了成年小鼠中这两个突变基因拷贝中的碱基序列。这些经过校正的肝细胞能够产生功能性的Pah酶,这些小鼠所患的这种疾病被治愈了。

这种由胞苷脱氨酶(cytidine deaminase)加以强化的CRISPR/Cas9系统结合到这两个需要被校正的基因拷贝上,并且在局部打开DNA双链。胞苷脱氨酶将致病性的DNA碱基对C-G转化为健康人体内对应基因组位点上存在的碱基对T-A。这能够校正Pah酶编码基因中的DNA碱基错误。

在传统的CRISPR/Cas编辑中,诱导DNA双链断裂是基因组编辑的核心要素。双链DNA在一个确定的位点上被切割,随后细胞试图通过多种机制修复这种切割。如果将一种外源性的匹配DNA序列导入到细胞中,那么它能够让一种特定的修复机制精确地修复特定的基因序列。问题在于大多数人细胞主要使用其他的DNA修复机制,这些修复机制会产生额外的不想要的突变。

更高效的基因组编辑

这些研究人员意识到这种新的基因组编辑工具比传统的CRISPR/Cas9方法更有效:在小鼠肝脏中,高达60%的所有突变基因拷贝得到校正。这导致苯丙氨酸浓度降至正常水平,并且在利用这种基因组编辑工具治疗后,这些小鼠不再显示这种代谢障碍的任何迹象。

为了将编码这种新型基因组编辑工具的遗传密码转移到肝细胞中,这些研究人员将所需的基因导入到腺相关病毒(AAV)中,随后将AAV病毒注射到小鼠的血液中。这种病毒感染肝细胞,从而将编码这种基因组编辑工具的基因导入到肝细胞中。

治愈其他的代谢疾病

Schwank说,“这种方法在人体中具有很大的应用潜力。”然而,这项研究仅是概念验证。还需在其他动物模型中开展临床前研究以便测试这种新型基因组编辑工具在人体中使用时的功效和安全性。

之前的基因组编辑方法在动物中直接校正靶突变方面仅取得了有限的成功。Schwank解释道,在此之前,科学家们在成年小鼠肝脏中取得的校正率仅为百分之几而已。“在这项新的研究中,我们实现的编辑率提高了好几倍---到目前为止还没有人能够做到这一点。”

Schwank认为这种新型基因组编辑工具的风险是较低的。在小鼠模型中应用这种编辑工具后,这些研究人员寻找了脱靶突变,即在不应该发生突变的位点发生了突变。但是,他们没有找到任何脱靶突变。Schwank希望在后续研究中更仔细地研究这一点。Schwank强调道,“人体肝脏由数十亿个细胞组成。在这些细胞中,我们都不想诱导任何可能导致癌症的突变。”还需要进行测试以便确定这些研究人员使用AAV病毒作为编码这种编辑工具的基因的载体是否会引起任何不良反应。(生物谷 )

参考资料:

Lukas Villiger, Hiu Man Grisch-Chan, Helen Lindsay et al. Treatment of a metabolic liver disease by in vivo genome base editing in adult mice. Nature Medicine, October 2018, 24(10):1519–1525, doi:10.1038/s41591-018-0209-1.

Huiyun Seo & Jin-Soo Kim. Towards therapeutic base editing. Nature Medicine, October 2018, 24(10):1493–1495, doi:10.1038/s41591-018-0215-3. 

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