來源：醫藥魔方
作者：曼話
1月6日，Nature雜誌發表了基因治療領域的一項裡程碑進展。來自美國Broad研究所、NIH下屬國家人類基因組研究所（NHGRI）以及範德比爾特大學的科學家們成功使用鹼基編輯技術延長了早衰症小鼠的壽命[1]。該研究是在動物體內使用鹼基編輯成功治療嚴重遺傳疾病的首批例子之一。
早衰症也被稱為Hutchinson-Gilford早衰症候群，是一種罕見的遺傳疾病，會導致兒童極度過早衰老。患有早衰症的兒童出生時看起來很健康，但從一歲左右開始，症狀開始出現，如生長異常、皮膚異常、聽力喪失。隨著年齡的進一步增長，早衰特徵會增加，包括出現皺紋，關節僵硬和肌肉骨骼異常等。目前還沒有治癒早衰症的方法，患兒通常在14歲左右死於心臟病或中風。
眾所周知，DNA由4種鹼基——A、C、G和T——組成。2003年，NHGRI的高級研究員Francis Collins團隊發現，早衰症是由名為LMNA（lamin A）的基因突變所致，該基因序列第1824位點發生了C·GT·A鹼基突變，即有一個DNA鹼基C突變成了T。這種點突變增加了毒性蛋白progerin的產生，progerin可通過破壞細胞核結構來損傷細胞，從而導致快速的衰老過程。
知識卡：點突變是指由單個鹼基改變引發的突變，可分為轉換和顛換兩類。轉換是指嘌呤與嘌呤之間，或嘧啶和嘧啶之間的替換；顛換則是指嘌呤和嘧啶之間的替換。其中，轉換突變幾乎佔所有疾病相關點突變的三分之二，一些這類突變還導致了迄今為止還沒有治療手段的嚴重疾病。
在這項研究中，科學家們使用了一種被稱為鹼基編輯的突破性DNA編輯技術，這種技術能夠在不破壞DNA的情況下，用一個DNA鹼基替換另一個DNA鹼基。
具體來說，藉助Broad研究所David R. Liu教授於2017年開發的可實現T？A向C？G轉換的新型鹼基編輯技術ABE（Adenine Base Editor）[2]，研究者們調查了在小鼠中糾正LMNA的點突變將如何影響早衰樣症狀。
「鹼基編輯技術就像word中的查找和替換功能。它在將一個鹼基對轉化為另一個鹼基對方面非常有效。」Liu教授解釋道。
為了測試鹼基編輯技術ABE的有效性，Liu教授及其合作夥伴通過與早衰症研究基金會合作，從患者身上獲取了結締組織細胞。然後，研究團隊在實驗室中對患者細胞中的LMNA基因進行了鹼基編輯。結果顯示，90％的細胞被成功編輯，這反過來降低了progerin mRNA和蛋白質的水平。
在這些結果的鼓舞下，研究團隊開始了進一步的動物研究。他們向攜帶導致早衰症突變的小鼠單次靜脈注射了編碼鹼基編輯器的腺相關病毒（AAV）。注射在小鼠出生3天或14天後進行，對照組注射生理鹽水。結果顯示，鹼基編輯成功恢復了包括心臟和主動脈在內的多種器官中顯著比例的細胞中LMNA基因的正常DNA序列。
治療6個月後，許多小鼠細胞類型仍然保持了正確的DNA序列。在主動脈方面，結果甚至比預期得還要好，因為被編輯的細胞似乎已經取代了那些攜帶早衰症突變的細胞。雖然小鼠在2周大的時候（相當於人類5歲左右）才接受治療，但幾個月後，它們的主動脈幾乎沒有纖維組織生長或平滑肌細胞喪失的跡象。更令人驚喜的是，接受鹼基編輯治療的小鼠，壽命從7個月（215天）增加到近1.5年（510天），且活力顯著改善。在該研究中使用的小鼠，平均正常壽命是兩年，也就是說，接受鹼基編輯治療的小鼠相當於活到了老年的起點。
「接受治療的小鼠壽命顯著延長，是一個真正意義深遠的結果。因為早衰患兒通常會因心血管疾病過早死亡。想到我們在實驗室裡研究的想法可能真的對治療有好處，非常令人興奮。」共同領導該研究的Jonathan D. Brown博士說道。
麻薩諸塞大學未參加該研究的基因療法研究者Guangping Gao也表示，這些結果令人難以置信。
安全性方面，雖然研究團隊沒有觀察到鹼基編輯器的顯著脫靶編輯，但一些接受治療後壽命最長的小鼠形成了肝臟腫瘤，這個問題在接受高劑量AAV基因療法治療的小鼠身上曾見過，不過還沒有人因這類治療形成肝臟腫瘤。儘管如此，Liu教授說，降低AAV劑量以提高安全性是他們的一個目標。為了達到這一目標，他們正在評估更高效的鹼基編輯器。最終，他們希望能夠啟動臨床試驗。
值得一提的是，在2020年11月，早衰症治療獲得了另一個裡程碑：美國FDA批准了首個治療早衰症的藥物——lonafarnib（一款FTase抑制劑）。研究者們認為，這種藥物治療能夠延長患者壽命，但仍不能達到治癒的效果，而鹼基編輯療法在未來可能會為早衰症患者提供一種額外的治療選擇。此外，這項工作也為利用鹼基編輯來治療其他遺傳疾病帶來了希望。
專 家 點 評
新芽基因聯合創始人
西湖大學生命科學學院研究員：常興博士
最新發表在Nature雜誌上的這項研究的突破在於首次證明可以利用AAV9載體，全身遞送腺嘌呤鹼基編輯器，直接修復早衰症突變，延長小鼠壽命，實現持續的治療效果。不過，該研究也有不足之處，一方面，體內一些組織器官的編輯效率較差，還沒有實現完全預防早衰症的發生；另一方面，體內的脫靶效應沒有進行系統的分析。
鹼基編輯器治療遺傳性疾病目前還處於萌芽階段，應用方向主要包括以下4類：1）精準鹼基置換，例如這項新研究中的早衰症突變修復，以及將鐮刀型貧血突變（纈氨酸） 糾正為不致病的丙氨酸；2）基因失活，例如利用ABE鹼基編輯器，產生提前終止密碼子，敲除PCSK9的表達，降低血脂；3）激活沉默基因，例如在HbG的啟動子區引入點突變，在成人血紅細胞中激活胎兒血紅球蛋白的表達，治療地中海貧血或鐮刀型貧血症；4）修復RNA剪接的異常，例如通過精準編輯剪接位點，誘導DMD基因的特定外顯子跳讀，恢復讀碼框和蛋白表達。
我們團隊最早是因為受到免疫細胞發育機制的啟發，嘗試利用胞嘧啶脫氨酶AID和CRISPR融合，開發新的研究工具，並探索這一工具在科研和疾病治療方面的應用。我們開發的以AID為基礎的胞嘧啶鹼基編輯器有兩種作用模式：1）定點和高效的誘導 C：G>；T：A 的鹼基置換；2）隨機誘導C鹼基向其它鹼基的突變。我們已經證明，利用AID鹼基編輯器，能夠預測腫瘤細胞對靶向藥物的耐藥性突變，以及高效調控內源mRNA的可變剪接。此外，我們也已證實，利用AID鹼基編輯器，能夠分別在病人來源的iPSC和小鼠模型中，治療杜氏肌肉營養不良症。
總體來說，我認為，鹼基編輯療法治療人類遺傳疾病非常有潛力。不過，這類療法目前還存在一些問題亟須解決，包括1）受編輯窗限制，很難實現單鹼基編輯，可能造成bystander 突變，例如，在Nature這項研究中，同時會造成V690A突變；2）遞送系統的選擇，利用AAV遞送，面臨著可能的免疫系統過度激活的風險；3）在體內的一些組織器官中，編輯效率還有待進一步提高；4）脫靶效應。
當然，每種新的平臺和技術，從實驗室走向臨床，必然有各種各樣需要克服的障礙。我相信，隨著這些問題被逐個攻破，鹼基編輯療法會在其最適合的應用場景和疾病領域引發變革，與CRISPR基因編輯、基因治療技術一起，治療很多現在的不治之症。
相關論文：
[1]Luke W. Koblan et al. In vivo base editing rescues Hutchinson–Gilford progeria syndrome in mice. Nature（2021）.
[2]Gaudelli NM， et al.Programmable base editing of A？T to G？C in genomic DNA without DNA cleavage.Nature（2017）.
參考資料：
1#DNA-editing method shows promise to treat mouse model of progeria（來源：NIH/National Human Genome Research Institute）
2#Base editing successfully treat sprogeria in mice（來源：Broad研究所）
3#『Incredible』 gene-editing result in mice inspires plans to treat premature-aging syndrome in children（來源：Science）
4#Base editor repairs mutation found inthe premature-ageing syndrome progeria（來源：Nature）