Nature：刘如谦团队通过单碱基编辑，修复早衰症基因突变，延长小鼠2倍寿命
原创 生物世界 2021.1.7
撰文｜王聪
早年衰老综合症（Hutchinson-Gilford Progeria syndrome），简称早衰症。属于先天性遗传病，由于LMNA基因发生点突变所致，该突变会破坏LMNA基因mRNA的正常剪接，导致出现毒性截短蛋白progerin。早衰症的特点是发育延迟，至婴儿时期就发生进行性老年性退行性改变。
患者身体的老化过程十分快速。而罹患此病孩童的年龄很少超过14岁，该疾病非常罕见，是全世界最罕见疾病之一，大约每八百万个新生儿之中就有一到四人患有此疾，目前尚无有效治疗方法。
2020年11月，FDA批准了首个治疗早衰症的药物——lonafarnib，但该药物只能部分缓解症状，想彻底治愈早衰症，还是需要基因治疗手段。
2021年1月6日，哈佛大学Broad研究所刘如谦（David Liu）、范德堡大学医学中心Jonathan Brown、NIH美国国家人类基因组研究所Francis Collins 合作在Nature 杂志发表了题为：In vivo base editing rescues Hutchinson–Gilford progeria syndrome in mice 的研究论文。
该研究通过AAV病毒递送单碱基编辑工具ABE对早衰症小鼠进行基因治疗，实验结果表明，ABE能够直接逆转早衰小鼠模型中的致病点突变，明显改善多种症状，仅单次注射就能显著延长小鼠模型寿命，且没有可检测到的脱靶问题。
核纤层蛋白lamin A和C是由LMNA基因编码，在早衰症中，LMNA基因序列第1824位点的C·G--T·A碱基发生突变，激活了一个选择性前体mRNA （pre-mRNA）剪接位点，导致表达一种缺失50个氨基酸的lamin A蛋白突变体——progerin，progerin累积于核膜上，Progerin以一种显性方式发挥作用，可导致多种细胞缺陷，损害核结构的完整性、异染色质维持、DNA修复和氧化还原稳态，从而促进细胞衰老。
早衰症致病原理
2019年2月18日，Nature Medicine 杂志同期上线了两篇论文，通过AAV9病毒递送CRISPR-Cas9基因编辑系统，靶向破坏LMNA基因的11、12号外显子，从而抑制毒性截短蛋白progerin的产生，延长早衰症小鼠模型的寿命。
早衰症属于显性遗传病，单拷贝突变就会发病，这两项研究中使用CRISPR-Cas9编辑LMNA基因，可能会破坏原本正常的LMNA基因。因此，临床应用收到了很大限制。
2017年10月，刘如谦团队在 Nature 杂志发表了题为：Programmable base editing of A•T to G•C in genomic DNA without DNA cleavage 的研究论文，该研究开发了一种新型腺嘌呤碱基编辑器 (ABE)，能够在不导致DNA双链断裂的情况下，将A•T碱基对转换成G•C碱基对。
许多遗传性疾病是由单个碱基突变导致的，因此，单碱基编辑器的出现，为治疗许多单碱基遗传病提供了强大的方法，刘如谦也因此被 Nature 评为“2017年影响世界十大科学人物”。
刘如谦团队开发的ABE碱基编辑器，理论上可以直接修复导致早衰症的点突变，为彻底治愈早衰症带来了巨大希望。
首先，研究团队在早衰症患者的上皮细胞中进行了实验验证，通过慢病毒递送单碱基编辑系统ABEmax-VRQR。对致病点突变修复效率在87%-91%，修复后的细胞中progerin蛋白的表达水平均显著下降，而正常的核纤层蛋白则相应增加。且未检测到对DNA或RNA的脱靶性。
接下来，研究团队使用在人LMNA c.1824 C>T等位基因纯合子的转基因小鼠进行体内基因治疗实验，使用靶向全身型的AAV9病毒作为递送载体。
ABE编辑器治疗早衰症的原理
研究团队使用了两种给药方式：一种是眼窝注射给药（出生后第三天和第14天各注射一次），一种是腹腔注射给药（出生后第14天注射给药）。实验结果表明，腹腔注射方式效果更好。
单次注射即可实现持久性效果，注射后6个月检测发现，小鼠各器官的致病点突变的修复效率达到了20-60%，LAMA基因的mRNA剪接恢复正常，progerin水平下降。
更重要的是，出生后14天注射治疗后，6个月时小鼠动脉平滑肌恢复，正常核纤层蛋白恢复表达，progerin蛋白几乎无法检测到，出生后14天注射治疗的小鼠寿命从215天延长至510天，表明单碱基编辑ABE系统能够显著恢复早衰症小鼠表型，大大增加早衰症小鼠寿命。
这项研究表明，单碱基编辑技术的巨大潜力，能够作为治疗早衰症及其他遗传疾病的有潜力的方法。
再次表明AAV有诱发肝癌的可能性
需要特别注意的是，这9只接受基因治疗的小鼠中，有5只出现了肝癌，全基因组测序表明，AAV病毒会整合进宿主细胞基因组中，具有一定的安全风险。
2020年12月22日，荷兰UniQure公司发布声明，在其AAV基因治疗B型血友病的临床试验中，有患者出现肝癌。
2020年11月16日，Nature Biotechnology 杂志发表了一篇题为：A long-term study of AAV gene therapy in dogs with hemophilia A identifies clonal expansions of transduced liver cells 的研究论文。该研究对患有A型血友病的狗进行的AAV病毒基因治疗试验，效果明显，在治疗后长达十年的观测，研究团队发现AAV病毒携带的治疗性基因片段有些被整合到了狗的染色体上控制生长的基因附近，有诱发癌症的可能性。
这些结果表明，作为目前最安全基因治疗载体AAV病毒，可能存在潜在致癌性，需要对AAV基因治疗的潜在遗传毒性进行长期监测。
论文链接： https://www.nature.com/articles/s41591-018-0338-6 https://www.nature.com/articles/s41591-019-0343-4 https://www.nature.com/articles/nature24644 https://www.nature.com/articles/s41586-020-03086-7 https://www.nature.com/articles/s41587-020-0741-7
