超越Cas9，刘如谦团队等证实碱基编辑是这两种遗传疾病的更好治疗手段

碱基编辑（Base Editing）是由刘如谦（David Liu）等人开发并逐步扩展、完善的一种新型基因编辑技术，碱基编辑能够在特定位点以高精度和高效率对单个碱基对进行编辑，且不会像CRISPR-Cas9那样依赖于DNA双链断裂（DSB），因此被认为具有更高的安全性。

圣犹达儿童研究医院 Jonathan Yen、Mitchell Weiss 与博德研究所刘如谦团队合作，在 Nature Genetics 期刊发表了题为：Potent and uniform fetal hemoglobin induction via base editing 的研究论文。

该研究表明，在人类造血干细胞/祖细胞中，碱基编辑（base editing）对于恢复出生后胎儿血红蛋白表达特别有效。相比CRISPR-Cas9，碱基编辑能够将胎儿血红蛋白的表达提高到更高、更稳定、更均匀的水平。

该研究还表明，CRISPR-Cas9产生的不同插入或缺失突变（Indels）可以引起意想不到的表型变异，而碱基编辑可以规避这一问题，有望成为镰状细胞病（SCD）和β-地中海贫血更有效、更安全的治疗策略。

刘如谦教授表示，我们仔细研究了CRISPR-Cas9和碱基编辑器对胎儿血红蛋白基因进行治疗性编辑后的DNA序列。Cas9编辑经常产生不同DNA序列的复杂、不受控的编辑结果。而这项研究显示，碱基编辑器的编辑结果要均匀的多。

成人血红蛋白（HbA）主要在出生后表达，其包含四个蛋白质亚基——两个β-珠蛋白和两个α-珠蛋白。β-珠蛋白基因突变会导致镰状细胞病（SCD）和β-地中海贫血。

但人类还要另一种血红蛋白亚基——γ-珠蛋白，它在胎儿发育期间表达，γ-珠蛋白与α-珠蛋白结合形成胎儿血红蛋白（HbF）。正常情况下，人类在出生后，BCL11A转录因子会抑制γ-珠蛋白的表达，从胎儿血红蛋白转换为成人血红蛋白。

近年来，有临床研究使用CRISPR-Cas9基因编辑技术来重新启动γ-珠蛋白表达，产生胎儿血红蛋白，替代有缺陷的成人血红蛋白，显示出了治疗益处。

在临床中发现，并非所有人在出生后都不表达胎儿血红蛋白，有些人因为γ-珠蛋白基因的启动子区域突变，表现出了遗传性持续性胎儿血红蛋白增多症（HPFH），他们即使在成年期也高表达胎儿血红蛋白。因此，通过基因编辑技术模拟这种天然突变，也可以用于镰状细胞病（SCD）和β-地中海贫血的治疗。

在这项最新研究中，研究团队比较了CRISPR-Cas9和腺嘌呤碱基编辑器（ABE）在CD34+造血干细胞和祖细胞中进行的5种不同治疗策略。

具体来说，使用CRISPR-Cas9分别靶向编辑BCL11A中与γ-珠蛋白的结合基序或BCL11A红系增强子。使用腺嘌呤碱基编辑器（ABE）分别对γ-珠蛋白启动子的三个位点进行碱基编辑，γ-珠蛋白-198 A＞G、-175 A＞G、-113 A＞G，以模拟天然HPFH突变。

结果显示，纯合子的γ-珠蛋白-175 A>G编辑后，胎儿血红蛋白（HbF）表达水平达到了81±7%，这比CRISPR-Cas9编辑高出2-4倍。编辑后的CD34+造血干细胞和祖细胞，在移植到小鼠体内产生的红细胞中，-175 A>G碱基编辑也比CRISPR-Cas9编辑更有效地诱导HbF产生。

该研究还发现，传统的CRISPR-Cas9基因编辑具有一些意料之外的问题，并非每次Cas9编辑都能实现相同程度的提高胎儿血红蛋白水平，其编辑效果的异质性很高。与之相比，腺嘌呤碱基编辑（ABE）能够将胎儿血红蛋白提高到更高、更稳定、更均匀的水平。

与CRISPR-Cas9编辑产生不受控的插入或缺失突变（Indels）相比，碱基编辑能够产生精确的单碱基改变，几乎没有不需要的副产物。碱基编辑的结果具有更强的一致性，这是临床治疗中非常理想的安全特性。

值得一提的是，该团队在2023年4月于 Nature Biomedical Engineering 期刊发表了题为：Ex vivo prime editing of patient haematopoietic stem cells rescues sickle-cell disease phenotypes after engraftment in mice 的研究论文【2】。

该研究在体外对人类镰状细胞病患者的造血干细胞进行了先导编辑（prime editing），在移植给小鼠后，成功挽救了小鼠的镰状细胞病表型。此外，该治疗策略具有高编辑效率、低频indel副产物和最小的脱靶编辑水平。

而在2021年6月，该团队在 Nature 发表了题为：Base editing of haematopoietic stem cells rescues sickle cell disease in mice 的研究论文【3】。

在镰状细胞病（SCD）中，编码β-珠蛋白的第六位氨基酸的密码子GAG突变成了GTG。虽然腺嘌呤碱基编辑器（ABE）不能将GTG突变恢复成GAG ，但可以将转化为GCG ，而GCG是一种自然存在的非致病性变异，转化后于正常β-珠蛋白无异。

该研究使用腺嘌呤碱基编辑器（ABE）首次实现了对镰状细胞病（SCD）突变基因的直接修复。