由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和耶魯大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的下一代基因編輯系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單的IV治療成功治愈了活體老鼠的遺傳性血液病。與流行的CRISPR基因編輯技術(shù)不同，新技術(shù)可以應(yīng)用于活體動(dòng)物，并顯著減少不需要的脫靶基因突變。Nature Communications報(bào)道的研究結(jié)果提供了一種新的治療方法，通過針對(duì)造血干細(xì)胞中的缺陷基因來治療血液的遺傳性疾病，如β地中海貧血和鐮狀細(xì)胞病。

該新型系統(tǒng)依賴于最先進(jìn)的肽核酸(PNA)分子，這是一種合成核苷酸技術(shù)，是卡內(nèi)基梅隆核酸科學(xué)與技術(shù)中心(CNAST)的先驅(qū)。“我們開發(fā)了一種系統(tǒng)，使用FDA批準(zhǔn)的納米顆粒來提供我們的PNA分子以及供體DNA來修復(fù)活小鼠中的故障基因。這在CRISPR中尚未實(shí)現(xiàn)，”Carnegie Mellon化學(xué)教授Danith Ly說。梅隆理工學(xué)院和PNA化學(xué)專家。

像CRISPR這樣的基因編輯技術(shù)依靠DNA切割酶切割目標(biāo)位點(diǎn)的開放DNA來編輯特定基因。這個(gè)問題是雙重的。首先，酶很大，因此難以直接給活體動(dòng)物服用，因此科學(xué)家通常會(huì)去除細(xì)胞，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)它們進(jìn)行治療，然后將它們放回體內(nèi)。其次，一旦進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，酶就可以在原始基因靶標(biāo)以外的位置不加選擇地切割DNA。

新的卡內(nèi)基梅隆/耶魯系統(tǒng)避免了這兩個(gè)問題。新系統(tǒng)由含有PNA的生物相容性納米粒子，小納米級(jí)合成分子組成，其中蛋白質(zhì)樣骨架與DNA和RNA中的核堿基結(jié)合。PNA設(shè)計(jì)用于打開雙鏈DNA并以高度特異的方式結(jié)合在靶位點(diǎn)附近而??不切割任何東西。并且PNA很容易適應(yīng)納米粒子遞送系統(tǒng)，這是FDA批準(zhǔn)的并且已經(jīng)用于治療人類的神經(jīng)退行性疾病。

在最新的研究中，Ly和前研究生Raman Bahal設(shè)計(jì)了一種PNA來針對(duì)β地中海貧血癥中的功能失常基因，這是一種減少血紅蛋白產(chǎn)生的血液疾病。血紅蛋白減少導(dǎo)致全身缺氧，這可能導(dǎo)致許多問題，包括皮膚蒼白，虛弱，疲勞和更嚴(yán)重的并發(fā)癥。

研究人員與耶魯大學(xué)的Peter Glazer團(tuán)隊(duì)一起，將納米顆粒與PNA結(jié)合起來，這是一種編碼功能性血紅蛋白亞基β(HBB)基因序列的DNA供體鏈，以及一種增強(qiáng)基因編輯的干細(xì)胞因子。當(dāng)PNA與DNA中的靶位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，它形成PNA-DNA-PNA三鏈體，留下被置換的DNA鏈。這種復(fù)合物的形成使供體DNA能夠與附近的錯(cuò)誤DNA位點(diǎn)結(jié)合?？傊?，這種改變的螺旋結(jié)合細(xì)胞自身的DNA修復(fù)途徑來糾正發(fā)生故障的HBB基因。

除了在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試小鼠和人骨髓干細(xì)胞系統(tǒng)之外，研究小組還將全負(fù)荷納米顆粒靜脈內(nèi)給予β地中海貧血的小鼠模型。結(jié)果顯示，在治療后數(shù)月，造血干細(xì)胞中基因編輯成功率高達(dá)7%，血紅蛋白水平升高。與僅產(chǎn)生0.1%成功率的典型基因編輯方法相比，這顯著增加。

“效果可能只有7%，但這是有效的，”Ly說。“在這種特殊疾病模型的情況下，您不需要進(jìn)行大量修正。您不需要百分之百地看到表型恢復(fù)正常。”

據(jù)研究人員稱，這項(xiàng)工作為基因編輯提供了兩項(xiàng)關(guān)鍵進(jìn)展。首先是PNA本身。Ly使用下一代PNA化學(xué)來設(shè)計(jì)一種稱為γ-PNA的PNA分子，側(cè)鏈上帶有聚乙二醇基團(tuán)。這項(xiàng)創(chuàng)新使PNA具有水溶性和生物相容性，這意味著它不會(huì)以非特異性方式與蛋白質(zhì)和其他生物分子結(jié)合。另外，聚乙二醇基團(tuán)的特定立體化學(xué)將PNA預(yù)組織成右旋螺旋基序，使其更容易與DNA結(jié)合。第二個(gè)進(jìn)展是發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞因子的添加促進(jìn)了基因編輯的增加。

Ly承認(rèn)，如果沒有CNAST同事的支持和貢獻(xiàn)，以及DSF慈善基金會(huì)的慷慨資助，“這使得他能夠自由地創(chuàng)新和追求深遠(yuǎn)的科學(xué)問題，例如發(fā)展，這樣的工作是不可能實(shí)現(xiàn)的。有朝一日能治愈遺傳性疾病的分子療法。“