镰状细胞病（sickle cell disease, SCD）是一种影响数百万人的严重血液疾病，主要是那些非洲裔。编码携带氧气的蛋白分子---血红蛋白---的一个亚基的基因突变导致这种疾病。
在一项新的研究中，来自美国圣犹大儿童研究医院和布罗德研究所的研究人员表明作为一种精确的基因组编辑方法，先导编辑（prime editing）可以将SCD患者细胞中突变的血红蛋白基因改回到它们的正常形式，在将这些经过基因编辑的细胞移植到小鼠体内后恢复它们的正常血液参数。相关研究结果于2023年4月17日在线发表在Nature Biomedical Engineering期刊上，论文标题为“Ex vivo prime editing of patient haematopoietic stem cells rescues sickle-cell disease phenotypes after engraftment in mice”。
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科学家们已迅速开发了编辑DNA的技术，包括Cas9核酸酶和碱基编辑器，以治疗遗传疾病。这些作者展示了一种名为先导编辑的“第三代”可编程基因编辑技术如何将导致SCD的突变转化为正常的DNA序列，从而挽救了这种疾病。
论文共同通讯作者、圣犹大儿童研究医院血液学系的Jonathan Yen博士说，“先导编辑是一种有前途的方法，因为从理论上讲，我们可以直接将致病突变校正为我们选择的特定健康DNA序列。我们优化了对长期造血干细胞的先导编辑，并发现这些经过先导编辑的细胞在具有临床相关系统的动物体内保持了完全的定植效率。”
论文共同通讯作者、布罗德研究所的David Liu教授说，“这些结果显示了对造血干细胞的高效先导编辑，而且这些经过先导编辑的细胞保持了充分的定植和重新填充动物骨髓的能力。将先导编辑的‘搜索和替换’的多功能性带到造血干细胞，提高了应用这项技术治疗涉及血液细胞的广泛疾病的可能性。”Liu实验室于2019年发明了先导编辑。
修复导致镰状细胞疾病的突变
这些作者发现这种先导编辑系统能够以高特异性找到成体血红蛋白基因中的致病突变，并以大多数人类携带的健康DNA序列有效地取代它。先导编辑成功地校正了这种突变，在SCD患者的造血干细胞中的校正率高达41%。以前的研究已表明，对超过20%的细胞进行先导编辑可能会转化为治疗效果。
图片来自Nature Biomedical Engineering, 2023, doi:10.1038/s41551-023-01026-0。
这些作者将来自四名SCD患者的经过先导编辑的造血干细胞移植到小鼠体内时，约45%的循环红细胞中存在正常的血红蛋白生成，甚至在17周后仍然如此，因此这种方法的治疗前景更加明显。移植后，当放置在低氧环境中时，从小鼠骨髓中分离出来的红细胞减少了一半的镰状病变，从大约67%减少到37%。
提高精确的基因编辑
论文共同作者、圣犹大儿童研究医院血液学系主任Mitchell Weiss博士说，“我们确定了可能是遗传性贫血的下一波疗法。我们采用了最新的前沿基因工程技术，并表明我们可能在未来的治疗方法中进行有意义的基因编辑。”
虽然这些作者在移植到小鼠的SCD患者细胞中进行了研究，但这种方法可能比目前临床试验中使用的在DNA中产生双链断裂的基因组编辑方法（比如Cas9核酸酶）更有优势，因为先导编辑基本上可以避免在DNA中产生双链断裂。2021年发表在Nature期刊上的一项研究已表明作为一种替代性的基因组编辑技术，碱基编辑可以将镰刀型细胞突变变成良性变体，但不能变成原始的健康序列。这项新的研究显示先导编辑可以通过T-A转换将致病突变变成原来的正常基因变体，而碱基编辑不能进行这种转换。
尽管这项新的研究显示了利用先导编辑来治疗遗传性贫血的潜在好处，但它也显示了局限性。先导编辑需要一个耗时的过程来改进和优化实验流程中的每一步，比如设计用于先导编辑的向导RNA（prime editing guide RNA, pegRNA），pegRNA可将这种先导编辑系统靶向正确的DNA区域并进行所需的编辑。
安全第一
安全性仍然是所有基因组编辑技术的关注点，尤其是新型方法。虽然这项新的研究与其他实验室关于先导编辑的报告一致，显示几乎没有脱靶先导编辑，但作为一种较新的基因编辑技术，它可能有不可预见的安全问题。
Weiss说，“我们正在尽力预测毒性，但在这种疗法用于患者之前，我们还不知道它的真正风险程度。”
即使有这些挑战，这些作者也对先导编辑的未来持乐观态度。Yen说，“由于它的独特的多功能性，先导编辑有可能治愈更多的遗传性疾病。它进入临床应用将面临挑战。它将需要广泛的生产开发、工艺优化和安全评估。不过，它已经过概念验证。我们的研究如今打开了开发治愈许多血液病的大门。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Kelcee A. Everette et al. Ex vivo prime editing of patient haematopoietic stem cells rescues sickle-cell disease phenotypes after engraftment in mice. Nature Biomedical Engineering, 2023, doi:10.1038/s41551-023-01026-0.
