下一代 CRISPR技术:遗传疾病的精确碱基编辑疗法

CRISPR 基因编辑技术已被确立为研究疾病生物学的最强大工具之一,并作为纠正致病遗传缺陷的治疗平台而被广泛测试。 CRISPR 系统于 2012 年首次被描述;过去的十年中,已被广泛应用于各种药物研发,包括疾病生物学研究、临床前模型开发和药物开发1。目前,几项正处于不同阶段的临床试验使用 CRISPR 技术修剪细胞疗法中的基因或直接在体内编辑七个疾病领域的基因:血液疾病、癌症、眼部疾病、糖尿病、传染病、炎症和蛋白质折叠障碍2。

CRISPR-Cas9 基因编辑系统通过引入双链断裂来去除或替换基因,以此编辑 DNA。然而,双链断裂的产生已被证明会触发基因组 DNA 序列的重排,因此将 CRISPR 技术用于疾病治疗可能会引起严重的系统性健康问题或诱发另一种疾病3。我们知道,哺乳动物基因组有几个称为转座子和反转录转座子的移动遗传元件。这些核酸序列能够插入双链 DNA 断裂,并与包括癌症在内的疾病发展有关3。转座子是插入到基因组 DNA 中的 DNA 元件,通过剪切粘贴产生双链断裂。反转录转座子是 RNA 元件,经过逆转录形成 DNA 元件,然后粘贴到基因组 DNA 中。基于双链断裂 DNA 序列中遗传元件的主动转座,CRISPR 基因疗法的短期和长期安全性存在重大隐忧。

2016 年,博得研究所(Broad Institute )的David Liu 和同事描述了一种称为碱基编辑的替代基因编辑法4。碱基编辑是一种高度靶向的方法,结合了 CRISPR-Cas9 和酶胞苷脱氨酶,直接改变单个 DNA 碱基而不引入双链 DNA 断裂。胞苷脱氨酶将胞苷转化为尿苷,使 C 碱基变为 T 碱基。同样,CRISPR-Cas9 与腺苷脱氨酶的融合已被用于将 G碱基 变为 A碱基5。自碱基编辑器5年前首次被描述以来,研究人员已对其进行了大量验证和测试。 据2021年的一项体内研究报告,碱基编辑器在非人类灵长类动物中有效敲低了 PCSK9 基因6,这表明碱基编辑器可以在体内有效传递。鉴于来自体内研究的有利数据,碱基编辑技术作为特定遗传疾病的治疗方法正迅速进入临床。

2021 年 11 月,总部位于马萨诸塞州剑桥市的生物技术公司 Beam Therapeutics 获得了美国食品药品管理局 FDA 的首次批准,进行用于治疗镰状细胞病的碱基编辑技术的新药研究7。这是一种自体造血细胞疗法,使用碱基编辑技术进行修剪,过度表达胎儿血红蛋白以抵消镰状细胞病患者低氧合的影响7。另一项试验于 2022 年 7 月启动,杂合子家族性高胆固醇血症 (HeFH) 患者将使用含有引导 RNA 和碱基编辑序列的脂质纳米粒子,该序列可诱导 HeFH 患者有缺陷的 PCSK9 基因的 A 到 G 碱基变化。碱基变化使有缺陷的 PCSK9 基因失活并降低患者的 LDL 水平,从而降低心血管疾病的风险8。虽然现在预测碱基编辑技术应用于人体的成功还为时过早,但由于靶向单个核苷酸的精确性和复杂性,且对局部或全基因组序列的影响非常小,因此成功的可能性大大增加。

参考文献:

1https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6356701/

2https://innovativegenomics.org/news/crispr-clinical-trials-2022/

3https://answers.childrenshospital.org/crispr-gene-editing/

4https://www.nature.com/articles/nature17946

5https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29160308/

6https://www.nature.com/articles/s41586-021-03534-y

7https://investors.beamtx.com/news-releases/news-release-details/beam-therapeutics-provides-business-and-pipeline-updates-and-0

8https://www.the-scientist.com/news-opinion/first-person-dosed-in-novel-gene-editing-clinical-trial-70223