人类首次通过基因编辑攻克隐性遗传病!历时四年,刘如谦使用单碱基编辑治愈耳聋小鼠

6月3日,刘如谦(David Liu)等在 Science Translational Medicine 杂志发表封面论文,通过双AAV载体递送单碱基编辑器,成功恢复Tmc1基因隐性突变导致的完全耳聋小鼠的听力

这是人类首次通过基因编辑技术解决隐性遗传突变导致的遗传疾病。

遗传因素占全部耳聋病例的将近一半,但遗传性耳聋的治疗选择非常有限。每个人生下来都有特定数量的耳毛细胞,这些耳毛细胞一旦受损就会导致听力下降甚至丧失,有很多基因的突变会产生有害蛋白从而损伤耳毛细胞。

两年前,刘如谦团队在 Nature 发表论文,使用CRISPR/Cas9基因编辑技术,敲除突变Tmc1基因,保留正常Tmc1基因,成功修复了小鼠模型的显性突变并缓解了听力丧失。

对于上述显性遗传疾病,通过CRISPR/Cas9基因编辑敲除突变基因就可以解决问题,然而,对于隐性遗传疾病,通过CRISPR/Cas9基因编辑的方式就行不通了,必须要修复1个或2个突变基因拷贝才行。

不幸的是,遗传性耳聋中超过80%是隐性遗传突变,强大的CRISPR/Cas9技术束手无策。

动物以及人类,听到声音是依靠内耳的毛细胞,毛细胞在声波的压力下弯曲并向大脑发送电脉冲。Tmc1基因的隐性突变导致这些毛细胞迅速退化,很快完全耳聋,彻底丧失听力。

在此之前,哈佛医学院耳鼻喉科和神经学教授 Jeffrey Holt 通过AAV基因疗法将正确版本的Tmc1基因递送到Tmc1基因隐性突变的小鼠模型,并让小鼠恢复听力。

但是,通过递送正确版本的外源基因方式的基因治疗,持续时间有限,并没有真正修复隐性基因突变。

因此需要更高级的技术,例如基因编辑,直接修复突变基因,一次治疗,终生有效。

刘如谦实验室利用自己开发的单碱基编辑器(Base Editor),在体外细胞实验中能够找到隐性突变位点并成功修复。

细胞实验效果显著,然而,在进行动物实验时却遇到了大麻烦,单碱基编辑器(Base Editor)太大了,根本无法被基因治疗递送载体AAV病毒所容纳。

为了解决这一问题,研究团队将单碱基编辑器分为两部分,分别用AAV病毒递送,进入体内后,这两种病毒共同感染同一细胞,这两个单碱基编辑器部分将重新结合并前往寻找其要修复的靶点。

检测结果表明,几乎没有可检测到的脱靶,经过编辑的小鼠具有保存完好的毛细胞形态和信号转导。这些原本完全丧失听力的小鼠能够对响亮甚至中等程度的声音作出反应,表明它们至少恢复了部分听力。

该研究的通讯作者刘如谦表示,这项研究表明AAV递送基因编辑的有效性,刘如谦团队目前已经在使用CRISPR基因编辑技术进行早衰症镰状细胞病以及神经退行性疾病的研究和治疗。这些研究进展为那些遭受痛苦遗传病患者及家属带来了巨大希望,例如早衰症,目前没有治愈方法,最好的治疗方法也只能把患者的平均寿命从14岁提高到14.5岁。

单碱基编辑发展史

2016年4月20日,刘如谦等人在 Nature 发表论文,首次可以通过可靠、可预测的方法,实现对细胞基因组中的单个碱基进行修改。

2017年10月25日,刘如谦等人进一步升级,开发出了单碱基编辑器(Base Editor),将dCas9TadA(腺嘌呤脱氨酶)整合,能够在不造成DNA双链断裂的情况下,将A-T碱基对转换为G-C碱基对,实现对基因组点突变的定点矫正修复。

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”。

2019年3月1日,Science 杂志同期发表两项分别来自中科院神经所杨辉课题组和中科院遗传发育所高彩霞课题组的研究论文,这两篇论文均表明,单碱基编辑器会导致许多不必要的和潜在危险的“脱靶”遗传变化

这一发现为单碱基编辑的临床应用蒙上了一层阴影。

好在此后不久,刘如谦J. Keith Joung杨辉等各自发表多项研究成果,对单碱基编辑器做了大量改进,大大降低了其脱靶性。

2020年2月,刘如谦张锋J. Keith Joung等人联合创立单碱基编辑公司Beam Therapeutic在美国纳斯达克成功上市,该公司致力于通过单碱基编辑技术开发遗传病基因疗法,如目前市值14亿美。

2020年6月1日,Nature Biotechnology 杂志同时在线发表了来自华东师范大学李大力团队及美国麻省总医院 J. Keith Joung 团队的研究论文。

两个团队各自独立开发出了双碱基编辑器,能够同时实现两种不同碱基的高效转变,解决了现有碱基编辑器只能催化单一类型碱基的转换的限制,极大地丰富了碱基编辑工具、扩展了碱基编辑器的应用范围,为遗传病治疗、作物育种等于带来新的发展。

论文背后的故事

多年以前,这篇论文的第一作者叶韦熙(Wei Hsi Yeh)还是一名年轻的本科生时,她的一位好友在一个月时间内从正常听力发展为完全耳聋,没有人知道他为什么会失聪,医生也没能查出原因。当时的叶韦熙为朋友感到沮丧而又害怕。

2014年,叶韦熙加入哈佛大学刘如谦实验室,致力于解决听力丧失背后的遗传奥秘,2017年12月,刘如谦实验室发表的通过Cas9基因编辑治疗耳聋小鼠的 Nature 论文,叶韦熙也是作者之一。

就在上个月,叶韦熙获得了博士学位,6月3日,叶韦熙作为第一作者的单碱基编辑治疗耳聋小鼠的研究成果登上 Science Translational Medicine  封面,该研究中开发的双AAV载体递送单碱基编辑技术,为Tmc1基因隐性突变导致的耳聋患者带来了真正意义上的希望。

导致叶韦熙朋友突然失聪的原因仍未找到,也就无从治疗,遗传性耳聋仍是叶韦熙探索的主要方向,这个领域还有太多的未知数,但是好在曙光已经出现,未来可期。(来源:BioWorld微信公众号)

论文链接:

https://stm.sciencemag.org/content/12/546/eaay9101.full

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