CRISPR基因编辑揭示了常见血液疾病背后的生物学机制

新南威尔士大学的科学家发现，无症状镰状细胞病患者实际上缺少基因组的一小部分。

　　

   

   

悉尼新南威尔士大学的凯特·昆兰(A/Prof. Kate Quinlan )和梅林·克罗斯利教授(Prof. Merlin Crossley )

新南威尔士大学的研究人员使用了CRISPR基因编辑——一种“分子剪刀”——来了解基因组一个区域的缺失如何影响附近基因的表达。这项工作由新南威尔士大学副教授凯特·昆兰和梅林·克罗斯利教授领导，以及来自美国的合作者，将帮助研究人员研究新的治疗方法，治疗世界上最具破坏性的遗传性血液疾病之一——镰状细胞病。

研究小组的发现今天发表在学术期刊《Blood》上。

“镰状细胞病和β -地中海贫血是一种密切相关的疾病，它们是影响红细胞的遗传遗传病。它们在世界各地相当普遍——每年有31.8万名患有这些疾病的婴儿出生，全球5岁以下儿童的死亡中有3%是由血红蛋白疾病造成的，”共同第一作者Quinlan教授说。

基因突变——特别是成人球蛋白基因的缺陷——是造成这种疾病的原因。突变基因会影响血红蛋白的产生，血红蛋白是红细胞中的一种蛋白质，在我们的身体中携带氧气。

“当孩子出生时，他们一开始并不表现出疾病症状，即使他们有突变，因为在那个阶段，他们仍然表达胎儿的珠蛋白，而不是成人的珠蛋白。这是因为我们在不同的发育阶段表达不同的血红蛋白基因，”Quinlan说。

“随着胎儿的珠蛋白被关闭，而成人的珠蛋白被打开——这大约发生在婴儿出生后的第一年——症状开始显现。”

当这种情况发生时，红细胞会呈现不寻常的镰刀状，阻塞小血管，导致疼痛、器官损伤和过早死亡。这种疾病在热带国家和疟疾流行地区的人群中特别常见。

Quinlan教授说:“我们研究的目标是找出我们如何能逆转胎儿到成人的珠蛋白转换，从而使患者在一生中继续表达胎儿的珠蛋白，而不是导致血细胞变硬和阻塞血管的突变的成人珠蛋白基因。”

有趣的是，这已经发生在一些患有镰状细胞病的人身上:多亏了另一种有益的基因突变，少数患者的胎儿珠蛋白基因在他们的一生中一直保持“开启”，从而免受镰状细胞病症状的影响。

“在这些患者中，胎儿珠蛋白的持续表达有效地补偿了有缺陷的成人珠蛋白——但直到这项研究之前，我们并不真正了解导致这种不可思议的优势的过程，”Quinlan说。

用CRISPR“删除”基因

为了弄清这些幸运儿的基因组到底发生了什么，新南威尔士大学的博士生萨拉·托普弗收集了一些罕见的家庭的数据，这些家庭在一生中都会表达胎儿珠蛋白。

作为第一步，萨拉比较了许多不同患者的基因组缺失——从本质上说，她想看看是否所有患者的基因组中都缺失了共同的元素。这些患者有什么共同之处?她发现所有这些患者的基因组中都有一个非常小的区域被删除了。”

然后，萨拉在实验室的细胞株中使用CRISPR基因编辑技术复制了一些患者的大缺失基因——以及它们共有的小缺失基因。

“CRISPR允许我们从实验室培养的细胞中‘剪切’DNA片段，修改基因，看看结果会发生什么——它本质上是一种工具，用来弄清楚基因在活细胞中的作用，”Quinlan教授说。

“我们发现，仅仅删除一点点就足以使胎儿珠蛋白升高，成人珠蛋白下降——这表明我们已经发现了解释这些无症状患者胎儿珠蛋白水平为何居高不下的关键机制，”Quinlan说。

“有效地，通过删除成人珠蛋白的‘开启开关’，我们让胎儿的‘开启开关’变得活跃。”

Quinlan教授说，结果出乎意料。

“这些发现令人惊讶——许多人已经研究这些突变很多年了，所以有一个统一的假设可以解释它们，而不是它们都通过不同的机制工作，这一想法将是该领域令人惊讶的。”

“当我们开始假设可能存在一种机制时，我们没有想到它会如此清晰——我们认为它可能会比我们最初认为的更复杂。”

CRISPR革命和潜在的治疗方法

共同第一作者、新南威尔士大学负责学术和学生生活的副校长Crossley教授说，在CRISPR基因编辑出现之前，不可能测试这个模型。

Crossley教授说:“我们的团队专门利用这项新技术来理解珠蛋白基因转换。澳大利亚现在有相当多的人患有镰状细胞病或地中海贫血。

“这项由美国国家卫生和医学研究委员会(National Health and Medical Research Council)支持的工作，是CRISPR基因编辑革命如何加速科学理解，并将为临床提供新疗法的一个重要例子。”

科学家们说，今天公布的这项工作将提高我们对镰状细胞病背后机制的基本认识。

“这真的帮助我们理解这一过程的关闭胎儿球蛋白和打开成人球蛋白和如何逆转,这样我们就可以使用这种理解的机制来帮助我们寻找新的治疗方法,这是一个关键的难题,“Quinlan说。

Crossley教授的团队此前在该领域的一些发现已经为临床试验提供了信息——通过使用他们过去发现的有益突变，这些突变可能会导致这些疾病的治疗。

在2020年新南威尔士州总理科学与工程奖上，Crossley教授因其在该领域的工作获得了医学生物科学(细胞和分子、医学、兽医和遗传学)卓越奖。

DOI

10.1182/blood.2021014205