Cell Res.:安全修復鐮刀形細胞疾病基因的方法

鐮刀形細胞疾病病人皮膚細胞被重編程為iPSCs，並將它們分化為肌細胞，紅色部分為肌肉特異性蛋白。圖片版權歸薩克生物研究學院所有，在此僅做研究之用。

根據發表在2011年12月那期《細胞研究》(Cell Research)期刊上的一項研究，美國薩克生物研究學院(Salk Institute for Biological Studies)研究人員已開發出一種方法能夠利用病人自己的細胞來潛在性地治療由於一種有助於產生血液血紅蛋白的基因發生突變而造成的鐮刀形細胞病(sickle cell disease)和許多其他疾病。

這種技術利用來自病人皮膚的細胞產生誘導性多功能幹細胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)，而iPSCs能夠發育成各種類型的成熟組織，如血。研究人員說，他們開發的這種修復β-球蛋白(beta-globin, HBB)基因的方法能夠避免基因治療技術引入潛在有害的基因到細胞。

研究人員說，這種新技術將很快會在動物中進行治療測試，迄今為止似乎要比其他的已經測試過的方法有效得多。

薩克基因表達實驗室教授Juan Carlos Izpisua Belmonte，也是這項研究的主要研究人員，他說，「我們的發現為開發基於iPSC的療法來醫治諸如鐮刀形細胞病之類的破壞性遺傳疾病做好準備。」

薩克研究人員將來自鐮刀形細胞病病人的皮膚細胞重編程為iPSCs，一種能夠發育為任何類型身體組織的未成熟細胞。

鐮刀形細胞病是一類由於HBB基因發生突變造成的遺傳性血液疾病，HBB基因發生突變會產生異常的血紅蛋白---一種正常條件下允許血細胞攜帶氧氣的含鐵蛋白，從而導致紅細胞變得堅硬和粘稠而且形狀類似於彎曲的稱作鐮刀的農場工具。在HBB基因突變造成的兩種主要性疾病，鐮刀形細胞貧血症和β-地中海貧血症中，紅細胞都不能有效地攜帶氧氣，其中鐮刀形細胞病會造成手腳腫大，由於血管堵塞引起的疼痛，貧血和中風。

這些疾病在非洲、地中海和中東來源的人們中間最為常見。根據美國疾病防控中心提供的數據，每500名非洲裔美國人就有一個人和每3萬名拉丁裔美國人就有一個人出生時就攜帶這種鐮刀形細胞疾病。

這種疾病能夠通過幹細胞或骨髓移植而得以治癒，但是也存在較高的風險：接受移植的受者可能會排斥捐獻的骨髓或細胞，能夠導致嚴重的副作用，甚至死亡。

薩克研究人員，包括共同第一作者Mo Li和Keiichiro Suzuki，著手設計出一種安全的方法，該方法能夠在iPSCs中矯正病人HBB基因拷貝存在的缺陷。

由於iPSCs來自病人自己的身體，它們遭遇移植排斥性風險比較小。另外，人們已經在HBB基因中鑑定出500種其他的造成疾病的突變，因此矯正這種疾病可能潛在性地治療全世界與HBB基因相關的很多種疾病。

然而，人們已證實傳統的iPSCs產生和基因治療技術是潛在性不安全的。很多人使用病毒來將成體細胞轉化為幹細胞，讓病毒來攜帶正常的HBB基因來感染和修復造血幹細胞，即一種產生所有血細胞的幹細胞。但是當把這些修復的幹細胞移植回病人時，它們可能含有轉基因，也就是已經插入到宿主基因組且能破壞DNA正常功能的基因。此外，這種技術也是低效率的，只能矯正一小部分基因突變，而且在β-地中海貧血症的基因治療臨床試驗中，移植成功率非常低。

Suzuki說，「我們想修復HBB基因突變，同時又不能在病人基因組中留下任何不想要的蹤跡。」

為此，研究人員採用一種兩步驟的方法。首先，他們從攜帶導致鐮刀形細胞疾病的HBB基因突變的病人身上獲取成體皮膚細胞。他們導入六種基因將這些細胞重編程為能夠分化為血細胞的iPSCs。這6種基因是通過一種避免使用病毒和將轉基因插入到細胞基因組中的技術得以導入到細胞中的。

他們的下一步驟就是修復iPSCs中的HBB基因突變。為了用正常的基因拷貝去交換iPSCs中缺陷性基因，研究人員使用一種修飾的腺病毒(傷風病毒)，不同於其他方法所使用的病毒，它不能在體內自我複製，也不能改變宿主細胞的DNA。將病毒基因刪除，然後用含有正常HBB基因的DNA序列去替換。

這種修飾的腺病毒然後就運輸這種新的遺傳物質進入iPSCs，然後利用同源重組將含有正常基因的序列去替換iPSC中含有突變基因的DNA序列。Li說，「它是自然發生，像拉鏈那樣工作。好基因完美地插入進去，同時將壞基因推出去。」

通過替換一段相對大的DNA序列區域，這種技術允許科學家們一次修復很多基因，從而意味著該方法可能用於治療成百種類型的HBB基因相關的疾病。矯正突變的HBB基因也是高效的。研究小組已經進行多次測試確保沒有不想要的基因整合進基因組。

薩克研究人員現在計劃從修復的幹細胞中製造血細胞並在動物中測試它們的有效性。如果取得成功，這就可能為人類開發出一種治療方法，即將病人的皮膚細胞恢復為iPSCs，然後進行基因修復，並把它們移植回到同一個病人的骨髓，如果成功的話，骨髓將產生所有新的血細胞，從而產生正常的血紅蛋白。

研究人員說，如果該技術證實為有效率的話，它可能也被用於治療單個基因突變導致的其他類型疾病。(生物谷Bioon.com：towersimper編譯)

Efficient correction of hemoglobinopathy-causing mutations by homologous recombination in integration-free patient iPSCs

Mo Li, Keiichiro Suzuki, Jing Qu, Preeti Saini, Ilir Dubova, Fei Yi, Jungmin Lee, Ignacio Sancho-Martinez, Guang-Hui Liu and Juan Carlos Izpisua Belmonte

Hemoglobinopathies are a collection of heritable diseases caused by abnormal structure or insufficient production of hemoglobins 1. Many forms of hemoglobinopathies, such as sickle cell disease (SCD) and β-thalassemia, which are caused by mutations of the β-globin (HBB) gene, lead to severe anemia and other life-threatening conditions.