常兴点评 | Nature里程碑：碱基编辑疗法获突破！治疗早衰症，小鼠寿命从7个月延长至1.5年

1月6日，Nature杂志发表了基因治疗领域的一项里程碑进展。来自美国Broad研究所、NIH下属国家人类基因组研究所（NHGRI）以及范德比尔特大学的科学家们成功使用碱基编辑技术延长了早衰症小鼠的寿命[1]。该研究是在动物体内使用碱基编辑成功治疗严重遗传疾病的首批例子之一。

来源：UrracaTavarez (NIH)

早衰症也被称为Hutchinson-Gilford早衰综合征，是一种罕见的遗传疾病，会导致儿童极度过早衰老。患有早衰症的儿童出生时看起来很健康，但从一岁左右开始，症状开始出现，如生长异常、皮肤异常、听力丧失。随着年龄的进一步增长，早衰特征会增加，包括出现皱纹，关节僵硬和肌肉骨骼异常等。目前还没有治愈早衰症的方法，患儿通常在14岁左右死于心脏病或中风。

众所周知，DNA由4种碱基——A、C、G和T——组成。2003年，NHGRI的高级研究员Francis Collins团队发现，早衰症是由名为LMNA(lamin A)的基因突变所致，该基因序列第1824位点发生了C·G--T·A碱基突变，即有一个DNA碱基C突变成了T。这种点突变增加了毒性蛋白progerin的产生，progerin可通过破坏细胞核结构来损伤细胞，从而导致快速的衰老过程。

知识卡：点突变是指由单个碱基改变引发的突变，可分为转换和颠换两类。转换是指嘌呤与嘌呤之间，或嘧啶和嘧啶之间的替换；颠换则是指嘌呤和嘧啶之间的替换。其中，转换突变几乎占所有疾病相关点突变的三分之二，一些这类突变还导致了迄今为止还没有治疗手段的严重疾病。

在这项研究中，科学家们使用了一种被称为碱基编辑的突破性DNA编辑技术，这种技术能够在不破坏DNA的情况下，用一个DNA碱基替换另一个DNA碱基。

具体来说，借助Broad研究所David R. Liu教授于2017年开发的可实现T·A向C·G转换的新型碱基编辑技术ABE（Adenine Base Editor）[2]，研究者们调查了在小鼠中纠正LMNA的点突变将如何影响早衰样症状。

“碱基编辑技术就像word中的查找和替换功能。它在将一个碱基对转化为另一个碱基对方面非常有效。”Liu教授解释道。

为了测试碱基编辑技术ABE的有效性，Liu教授及其合作伙伴通过与早衰症研究基金会合作，从患者身上获取了结缔组织细胞。然后，研究团队在实验室中对患者细胞中的LMNA基因进行了碱基编辑。结果显示，90%的细胞被成功编辑，这反过来降低了progerin mRNA和蛋白质的水平。

ABE介导早衰症患者成纤维细胞中LMNAC .1824 C>T突变的纠正(来源：Nature)

在这些结果的鼓舞下，研究团队开始了进一步的动物研究。他们向携带导致早衰症突变的小鼠单次静脉注射了编码碱基编辑器的腺相关病毒（AAV）。注射在小鼠出生3天或14天后进行，对照组注射生理盐水。结果显示，碱基编辑成功恢复了包括心脏和主动脉在内的多种器官中显著比例的细胞中LMNA基因的正常DNA序列。

治疗6个月后，许多小鼠细胞类型仍然保持了正确的DNA序列。在主动脉方面，结果甚至比预期得还要好，因为被编辑的细胞似乎已经取代了那些携带早衰症突变的细胞。虽然小鼠在2周大的时候（相当于人类5岁左右）才接受治疗，但几个月后，它们的主动脉几乎没有纤维组织生长或平滑肌细胞丧失的迹象。更令人惊喜的是，接受碱基编辑治疗的小鼠，寿命从7个月（215天）增加到近1.5年（510天），且活力显著改善。在该研究中使用的小鼠，平均正常寿命是两年，也就是说，接受碱基编辑治疗的小鼠相当于活到了老年的起点。

ABE-AAV9单次注射后早衰症小鼠的主动脉组织病理学和寿命(来源：Nature)

“接受治疗的小鼠寿命显著延长，是一个真正意义深远的结果。因为早衰患儿通常会因心血管疾病过早死亡。想到我们在实验室里研究的想法可能真的对治疗有好处，非常令人兴奋。”共同领导该研究的Jonathan D. Brown博士说道。

马萨诸塞大学未参加该研究的基因疗法研究者Guangping Gao也表示，这些结果令人难以置信。

修复导致早衰症的突变（来源：Nature）

安全性方面，虽然研究团队没有观察到碱基编辑器的显著脱靶编辑，但一些接受治疗后寿命最长的小鼠形成了肝脏肿瘤，这个问题在接受高剂量AAV基因疗法治疗的小鼠身上曾见过，不过还没有人因这类治疗形成肝脏肿瘤。尽管如此，Liu教授说，降低AAV剂量以提高安全性是他们的一个目标。为了达到这一目标，他们正在评估更高效的碱基编辑器。最终，他们希望能够启动临床试验。

值得一提的是，在2020年11月，早衰症治疗获得了另一个里程碑：美国FDA批准了首个治疗早衰症的药物——lonafarnib（一款FTase抑制剂 ）。研究者们认为，这种药物治疗能够延长患者寿命，但仍不能达到治愈的效果，而碱基编辑疗法在未来可能会为早衰症患者提供一种额外的治疗选择。此外，这项工作也为利用碱基编辑来治疗其他遗传疾病带来了希望。

专 家 点 评

新芽基因联合创始人

西湖大学生命科学学院研究员

常兴博士

• 研究亮点与不足
  

最新发表在Nature杂志上的这项研究的突破在于首次证明可以利用AAV9载体，全身递送腺嘌呤碱基编辑器，直接修复早衰症突变，延长小鼠寿命，实现持续的治疗效果。不过，该研究也有不足之处，一方面，体内一些组织器官的编辑效率较差，还没有实现完全预防早衰症的发生；另一方面，体内的脱靶效应没有进行系统的分析。

• 四大应用方向

碱基编辑器治疗遗传性疾病目前还处于萌芽阶段，应用方向主要包括以下4类：1）精准碱基置换，例如这项新研究中的早衰症突变修复，以及将镰刀型贫血突变(缬氨酸) 纠正为不致病的丙氨酸；2）基因失活，例如利用ABE碱基编辑器，产生提前终止密码子，敲除PCSK9的表达，降低血脂；3）激活沉默基因，例如在HbG的启动子区引入点突变，在成人血红细胞中激活胎儿血红球蛋白的表达，治疗地中海贫血或镰刀型贫血症；4）修复RNA剪接的异常，例如通过精准编辑剪接位点，诱导DMD基因的特定外显子跳读，恢复读码框和蛋白表达。

• 我们的技术
  

我们团队最早是因为受到免疫细胞发育机制的启发，尝试利用胞嘧啶脱氨酶AID和CRISPR融合，开发新的研究工具，并探索这一工具在科研和疾病治疗方面的应用。我们开发的以AID为基础的胞嘧啶碱基编辑器有两种作用模式：1）定点和高效的诱导 C：G>T：A 的碱基置换；2）随机诱导C碱基向其它碱基的突变。我们已经证明，利用AID碱基编辑器，能够预测肿瘤细胞对靶向药物的耐药性突变，以及高效调控內源mRNA的可变剪接。此外，我们也已证实，利用AID碱基编辑器，能够分别在病人来源的iPSC和小鼠模型中，治疗杜氏肌肉营养不良症。

• 待解决的问题
  

总体来说，我认为，碱基编辑疗法治疗人类遗传疾病非常有潜力。不过，这类疗法目前还存在一些问题亟须解决，包括1）受编辑窗限制，很难实现单碱基编辑，可能造成bystander 突变，例如，在Nature这项研究中，同时会造成V690A突变；2）递送系统的选择，利用AAV递送，面临着可能的免疫系统过度激活的风险；3）在体内的一些组织器官中，编辑效率还有待进一步提高；4）脱靶效应。

当然，每种新的平台和技术，从实验室走向临床，必然有各种各样需要克服的障碍。我相信，随着这些问题被逐个攻破，碱基编辑疗法会在其最适合的应用场景和疾病领域引发变革，与CRISPR基因编辑、基因治疗技术一起，治疗很多现在的不治之症。

相关论文：

[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).

 

参考资料：

1#  DNA-editing method shows promise to treat mouse model of progeria（来源：NIH/National Human Genome Research Institute）

2# Base editing successfully treat sprogeria in mice（来源：Broad研究所）

3# ‘Incredible’ gene-editing result in mice inspires plans to treat premature-aging syndrome in children（来源：Science）

4# Base editor repairs mutation found inthe premature-ageing syndrome progeria（来源：Nature）