2023年11月20日，来自上海科技大学、武汉大学和复旦大学的合作研究团队在Cell Stem Cell杂志在线发表了题为“Base editing of the HBG promoter induces potent fetal hemoglobin expression with no detectable off-target mutations in human HSCs”的研究论文，报道了一种基于碱基编辑技术的β-血红蛋白病基因治疗新策略。
β-血红蛋白病是一种严重的单基因遗传病，主要包括β-地中海贫血和镰状细胞病。全球有超过3%的人口是β-血红蛋白病的携带者，每年有数十万新生儿被确诊。已有研究表明，重激活胎儿血红蛋白表达，可以缓解甚至治愈β-血红蛋白病。目前的主要治疗策略是在体外通过Cas9核酸酶进行基因编辑，但Cas9核酸酶会产生DNA双链断裂，存在造成HSPCs染色体缺失、异位及细胞周期停滞或细胞凋亡等的安全隐患。因此，需要进一步探索更安全、更高效重激活胎儿血红蛋白的新策略。
本工作构建了完善的实验体系，开展了一系列基因编辑靶向位点比较和功能验证的系统研究，证明了一种利用变形式碱基编辑器tBE开展β-血红蛋白病基因治疗新方法（图1）。首先，科研人员在细胞系中对γ-珠蛋白调控网络上下游的六个调控位点进行编辑分析发现，tBE可在这些调控位点产生高效率的C-to-T突变，且未检测到gRNA依赖性脱靶突变。通过探索并优化tBE的RNA表达系统及电转递送方法，本研究大幅度提高tBE在HSPCs中的编辑效率。将tBE的RNA表达系统递送到HUDEP-2细胞系中发现，通过破坏BCL11A在HBG1/2启动子的结合基序，可在这些实验组中产生最高表达水平的γ-珠蛋白。
图1. 本研究主要步骤示意图
为了更好地证明利用tBE开展β-血红蛋白病基因治疗的潜力，研究人员在健康人或β0/β0地贫患者来源的HSPCs中将tBE编辑策略与其它临床或临床前基因编辑方法进行了比较，在产生了近乎相同水平编辑效率的条件下，tBE靶向编辑位于HBG1/2启动子的BCL11A结合基序所激活的γ-珠蛋白水平显著高于Cas9核酸酶靶向BCL11A红系增强子策略。另外，编辑所产生的突变类型和编辑位点共同决定最终的激活程度。随后，研究人员将编辑后的HSPCs移植到免疫缺陷小鼠中，在移植4个月后检测到tBE编辑的HSPCs可以在小鼠体内重建造血系统，且激活的γ-珠蛋白水平显著高于靶向破坏BCL11A增强子策略（图2）。最后，研究团队对编辑过程中的脱靶事件进行了全面评估。结果证明，经tBE编辑的HSPCs未检测到高于背景水平的DNA/RNA脱靶突变。
图2. 编辑效率和激活HbF水平相关性分析。tBE编辑HBG1/2启动子所激活产生的HbF水平优于现有临床靶向破坏BCL11A增强子策略
综上，该研究证明了通过tBE靶向编辑位于HBG1/2启动子上的BCL11A结合基序，是更为精准有效且更加安全的激活γ-珠蛋白表达的策略，为β-血红蛋白病的临床基因治疗提供了新方案（图3）。
图3. 变形金刚大黄蜂代表研究中使用的变形式碱基编辑器（transformer base editor, tBE），它攀登DNA梯子，将不健康的贫血细胞替换为健康的红细胞（该图为Cell Stem Cell封面候选图片）
上海科技大学陈佳课题组韩炆艳、武汉大学张楹课题组邱厚圆、上海科技大学杨贝课题组孙尚武、中国科学院上海营养与健康研究所/复旦大学杨力课题组付志灿、武汉大学张楹课题组王国权、复旦大学儿童医院血液肿瘤科副主任医师钱晓文为该论文共同第一作者。武汉大学张楹教授、上海科技大学杨贝教授、上海科技大学陈佳教授及复旦大学杨力教授为该论文共同通讯作者。上海科技大学为论文的第一完成单位。该研究还得到了武汉大学殷昊教授、复旦大学儿科医院血液肿瘤科翟晓文教授及正序（上海）生物科技有限公司的大力支持。
论文链接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(23)00369-7
