Nature 解读：David R. Liu 等通过体内碱基编辑实现治疗小鼠Hutchinson-Gilford早衰综合征
丁香学术
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Hutchinson-Gilford 早衰综合症（HGPS 或早衰症）通常是由编码核纤层蛋白 A 的基因 LMNA 中 C・G 基因突变为 T・A（c.1824 C> T；p.G608G）引起的。这种突变导致 RNA 错剪，产生早老素（progerin）。
早老素是一种有毒蛋白，可引起快速衰老，导致早衰儿童的寿命大约只有 14 岁。
尽管治疗早衰的策略例如全面抑制蛋白质法尼基化（farnesylation）可为患者带来益处，但尚没有报道可以直接逆转 HGPS 突变的方法。
2021 年 1 月 6 日，哈佛大学化学与化学生物学系的 David R. Liu 教授在 Nature 上在线发表了题为 In vivo base editing rescues Hutchinson–Gilford progeria syndrome in mice 的研究成果。
该研究构建了一种腺嘌呤碱基编辑器（ABE），在无需断裂双链 DNA 的情况下，可将 LMNA 中 A・T 碱基对转化为 G・C 碱基对，在体外和体内都明显降低早老素的产生，为治疗 HGPS 提供了可能。
图片来源：Nature
什么是 ABE，它由哪些部分组成？
ABE 的核心组成元件是 Cas9 和人工定向进化的腺嘌呤脱氨酶，Cas9 与腺嘌呤脱氨酶组成融合蛋白。ABE 的作用原理是，Cas9 与腺嘌呤脱氨酶组成的融合蛋白在 sgRNA 的引导下靶向基因组 DNA 时，腺嘌呤脱氨酶可结合到 ssDNA 上，将一定范围内的腺嘌呤 (A) 脱氨变成肌苷 (I)，I 在 DNA 水平会被当做 G 进行读码与复制，最终实现 A・T 碱基对至 G・C 碱基对的直接替换。
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ABE 纠正 HGPS 患者细胞突变的效果怎么样？
研究者选择两个原发性成纤维细胞系 HGADFN167 和 HGADFN188，利用慢病毒转染将 ABE 导入细胞。
实验结果显示，在转染后第 10 天时观察到了 84％和 85％的致病性突变得到校正，第 20 天时观察到了 87％和 91％的突变得到校正。并且研究者还观察到，与未经治疗的细胞相比，治疗 20 天后 ABE 慢病毒转导的 HGADFN167 和 HGADFN188 细胞中错误剪接的 LMNA mRNA 水平分别降低了 8.1 倍和 4.4 倍。ABE 处理还使早老素蛋白水平分别降低了 6.1 倍和 15 倍。
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ABE 怎样递送到小鼠体内，效果怎么样？
由于 HGPS 导致全身不同的组织均受早熟症的影响，研究者为了将 ABE 输送到全身，构建了腺病毒（AAV）递送系统。在体内实验中，为了比较注射途径和时间对体内编辑的影响，研究者对 P3（3 日龄）小鼠（n=4）和 P14（2 周龄）小鼠（n=5）进行了眶后注射，并对 P14 小鼠（n=5）进行了腹腔注射。在 6 周时，P14 眶后注射在主动脉和骨骼中的编辑效率最高。三种注射途径对心脏组织（不包括主动脉）的编辑效率相似。
这些结果表明，在体内注射一次编码 AAV 的 ABE 既可以实现对不同器官中 LMNA 点突变的校正（10–60%）。
对实验小鼠进行长达 6 个月的试验观察，分析显示与 6 周时的试验结果相比，多个组织的 DNA 编辑效率均由提高。例如，在注射 P3 的小鼠中，主动脉的编辑率从 4.5±2.5% 上升到 10±3.4%，在 P14 治疗的小鼠中，从 17±5.2% 上升到 23±8.1%。并且，在大多数组织中 P14 注射组编辑效率高于 P3 注射组，包括主动脉 2.2 倍，骨骼肌 2.1 倍，骨 1.7 倍，肺 1.4 倍。
总之，体内 ABE 介导的小鼠致病性人类 LMNA c.1824 c>T 等位基因的校正可以降低几种临床相关组织中的早老素 RNA 和蛋白质水平。
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ABE 治疗能否延长早衰小鼠的寿命？
为了研究 ABE 治疗对早衰小鼠寿命的影响，研究者将 48 只小鼠分为两组，一组为 P3（3 日龄）小鼠，一组为 P14（2 周龄）小鼠。每小组一半注射了 ABE，一半注射了生理盐水，两性数量相等。P3 注射生理盐水的小鼠（n=12）的中位生存期为 189 天，而 P3 注射 ABE 的小鼠（n=11）的中位生存期为 337 天（1.8 倍）。P14 生理盐水注射小鼠（n=12）的中位生存期为 215 天，而 P14 ABE 治疗小鼠（n=10）的中位生存期为 510 天（2.4 倍）。
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David R. Liu 教授的研究表明，ABE 作为一种在无需断裂双链 DNA 的情况下，可将基因中 A・T 碱基对转化为 G・C 碱基对的基因编辑手段，可直接纠正 HGPS 体内的致病突变，为 HGPS 提供了新的治疗方法。
1. Koblan LW, Erdos MR, Wilson C, Cabral WA, Levy JM, Xiong ZM, Tavarez UL, Davison LM, Gete YG, Mao X, Newby GA, Doherty SP, Narisu N, Sheng Q, Krilow C, Lin CY, Gordon LB, Cao K, Collins FS, Brown JD, Liu DR. In vivo base editing rescues Hutchinson-Gilford progeria syndrome in mice. Nature. 2021 Jan 6. doi: 10.1038/s41586-020-03086-7. Epub ahead of print. PMID: 33408413.
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