ζ-球蛋白基因再激活改善重症α-地中海贫血的治疗新策略

《Nature Genetics》：Reactivation of the embryonic ζ-globin gene ameliorates severe forms of α-thalassemia

　　

血红蛋白病（hemoglobinopathies）是全球最常见的遗传性贫血。大多数携带者无症状或表现轻微，但重症α-地中海贫血，包括重型血红蛋白H（HbH）病和存活的Hb Bart’s胎儿水肿综合征（BHFS）个体，需要终身输血支持或干细胞移植。再激活沉默的胚胎型α样球蛋白即ζ-globin基因，是治疗该类疾病的有前景策略。研究人员定位了定型红系细胞中沉默ζ-globin基因的关键顺式调控元件，并开发基因编辑策略，将ζ-globin表达再激活至治疗相关水平。在BHFS临床前小鼠模型中，该策略将原本产前致死表型挽救至发育晚期（E17.5）。利用HbH病与BHFS患者来源原代红系细胞，研究人员显示这些手段使ζ-globin表达超过小鼠模型水平，产生治疗量的α样球蛋白（α-like globin）。

论文发表在《Nature Genetics》。研究背景方面，成人血红蛋白（HbA）为α₂β₂四聚体，α-globin（HBA1/HBA2）减少或缺如导致α-地中海贫血。--/--基因型即BHFS，胎儿产生无功能γ₄（Hb Bart’s），常宫内死亡；--/-α为HbH病，部分转为输血依赖。现存唯一长期根治手段为造血干细胞移植（HSCT），但受HLA相合供者限制且有移植物抗宿主病（GVHD）等风险。人α-globin位点含胚胎ζ-globin（HBZ）、胎儿/成人HBA2与HBA1，由R1-R4增强子调控；东南亚缺失（--^SEA）保留增强子与HBZ但缺α-globin。ζ-globin在胎龄6-7周后被沉默，其再激活可像γ-globin（HbF）缓解β血红蛋白病一样补偿α-globin不足，但沉默的顺式元件与反式因子长期不明。

关键技术方法方面，研究人员构建小鼠DZIA模型置换4.4-kb ζ区域、ZPE模型编辑启动子、SEA小鼠模拟--^SEA/--^SEA；以CRISPR/Cas9饱和突变筛查小鼠Hba-x启动子，在G1E-ER4、HUDEP-2及原代CD34⁺造血干祖细胞（HSPCs）中用胞嘧啶/腺嘌呤碱基编辑器（CBE/ABE）突变BCL11A与ZBTB7A（又称LRF）基序；样本含健康供者、HbH患者（--^SEA/-α）及21周BHFS胎儿（--^SEA/--^SEA）。

Developmental silencing of the ζ-globin gene is encoded within a 4.4-kb region that contains the gene：研究人员以DZIA模型证明，置换4.4-kb ζ区域后插入的Hba-alt在定型红系中开放且转录，说明ζ-globin沉默元件限定于该4.4-kb区段内，而非远端侧翼或位置效应。

Identification of repressive cis-regulatory elements within the mouse ζ-globin gene promoter：研究人员用CRISPR筛选与克隆细胞系证实，小鼠Hba-x启动子近端BCL11A与LRF结合基序为抑制元件；单突使ζ-globin占α样球蛋白约4%与18%，双突约26%。

ζ-globin reactivation in a preclinical model in vivo：研究人员将ZPE引入SEA小鼠，BHFS+ZPE胚胎E17.5出现近正常去核红细胞，ζ-globin mRNA约7.5%，产生Hb Portland 2（ζ₂β₂），改善水肿与溶血表型。

Identifying and base editing the corresponding elements in the human ζ-globin gene promoter：研究人员在人HUDEP-2中编辑远端BCL11A与LRF基序，双突使HBZ占α样球蛋白约15%，出现全细胞ζ-globin蛋白与Portland血红蛋白，且不扰乱红系分化。

Editing the ζ-globin gene promoter in a HUDEP-2 cell model of BHFS（--^SEA/--^SEA）：研究人员在BHFS HUDEP-2中做双突，HBZ占β样球蛋白约15%，染色质可及性增加，HbH/Bart’s四聚体减少，链失衡改善。

ζ-globin reactivation in primary CD34⁺ HSPC-derived erythroid cells from patients with HbH disease and BHFS：研究人员编辑患者HSPCs，HbH者α样/β样由24.8%升至48.4%，BHFS胎儿由17.1%升至50.5%，ζ-globin达总α样约半量，蛋白水平同步升高。

讨论部分总结：研究人员指出ζ-globin沉默由启动子内BCL11A与LRF基序局部调控；LRF靠近CCAAT框（NF-Y结合位）阻碍开放染色质，BCL11A周边GATA1基序受阻，二者协同屏蔽GATA1招募。--^SEA背景增强编辑效应，完全编辑可使α样/β样比至约0.5，足以改善重症表型。安全性、脱靶与体内植入仍需评估，该思路可推广至其他发育沉默旁系同源基因再激活疗法。

研究结论部分翻译：在本研究中，研究人员描绘出包含胚胎ζ-globin基因、为其定型红系沉默所必需的4.4-kb DNA区段，并鉴定出启动子内两个抑制性顺式调控元件。研究发现，联合破坏BCL11A与LRF结合基序可于多模型中把ζ-globin再激活至治疗有意义水平。尽管Hb Portland 2（ζ₂β₂）二聚体相互作用弱于HbA且氧亲和力更高，证据表明其在体内具功能。该结果提出一种潜在可行、理性的重症α-地中海贫血治疗策略，并为转化临床试验铺路。--^SEA等位基因在东南亚频率可达约7%，全球迁移使BHFS诊治超出传统流行区；相较β-地中海贫血已用CRISPR再激活γ-globin，自体造血干细胞编辑再激活ζ-globin为BHFS与重型HbH病提供 rescue 乃至治愈路径。ζ-globin较γ-globin更难再激活，本研究以遗传修饰小鼠揭示其抑制为局部、启动子内BCL11A与LRF保守位点共同维持。双突效应在模型中不一，--^SEA可放大人原代细胞反应；未来可寻其他弱效元件与缺失的胚胎激活因子，并优化编辑效率、递送及安全评估。该范式印证精确基因组编辑可解锁发育程序，补偿成人表达基因突变，为依赖支持治疗或供者移植的重度遗传病提供自主疗法新路。