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PLoS ONE:新基因疗法有望治疗红细胞疾病

来源:生物谷 2012-03-29 05:13

红细胞中的血红蛋白携带维持生命的氧气到全身。人体内的血红蛋白由四个亚基构成,分别为两个α亚基和两个β亚基,而且每个亚基由一条肽链和一个血红素分子构成,肽链在生理条件下会盘绕折叠成球形,把血红素分子抱在里面,这条肽链盘绕成的球形结构又被称为珠蛋白。

β-地中海贫血症(beta-thalassemia)是一种遗传性疾病,是由于编码β珠蛋白(beta-globin)的基因存在缺陷造成的。所以血红蛋白中的关键性组分珠蛋白便是由这个基因产生的。迄今为止,在法国,仅有一名病人接受基因疗法来治疗β-地中海贫血,不过还未听说过有病人接受基因疗法来治疗镰状细胞性贫血症(sickle cell anemia)。

美国威尔康奈尔医学院(Weill Cornell Medical College)遗传医学副教授Stefano Rivella博士和他的同事们开发出的一种新的基因转移技术确保编码β珠蛋白的基因导入细胞后仍然保持活性并且能够表达β珠蛋白。

研究人员将一种“锚蛋白绝缘物(ankyrin insulator)”挂载到慢病毒载体携带的β珠蛋白基因上。在基因转移期间,慢病毒载体被导入到从病人身上提取的骨髓干细胞内,然后通过骨髓移植将这些干细胞移植回到病人体内,这样它们就可以制造正常的β珠蛋白和血红蛋白。

这种锚蛋白绝缘物实现两种目标。首先,它在将正常的β珠蛋白基因导入细胞时保护这种基因。在以前的很多基因治疗应用中,一个治疗性基因被导入细胞后,这个基因随机性地整合到病人基因组中,然而整合位点非常重要,如果它整合到基因组中的沉默区域,那么这个区域中的基因就不会表达。因此锚蛋白绝缘物所起的作用就是在基因组中创造一个活性区域,在这个区域中无论新的基因插入到哪个位点,它都会有效地发挥作用。此外,在慢病毒载体中挂载的锚蛋白绝缘物较小,因此它应当能够消除在接受基因疗法来治疗那名患有β-地中海贫血症的法国病人身上观察到的副作用。

研究小组还发现在产生红细胞过程中,这种锚蛋白绝缘物增加β珠蛋白基因转录的效率。他们将这个基因整入到还未开始分化产生红细胞的细胞中,当这些细胞开始分化时,β珠蛋白基因被激活。锚蛋白绝缘物的存在能够更加有效地激活这个基因,这样就能够给红细胞制造更多的治疗性蛋白。

这项研究进一步证实根据患有β-地中海贫血症的病人β珠蛋白基因的突变情况,通过慢病毒载体导入治疗性基因的效率会发生变化,因此可以基于此来对病人的治疗效果进行预测。研究人员测试了19名β-地中海贫血病症患者的样品,其中这些样品可分为两组:“β-0(beta-zero)”细胞,它不能制造任何β珠蛋白,这就强迫病人在一生当中必须接受输血;“β+(beta-plus)”细胞,它制造功能不能达到最佳水平的血红蛋白。通常而言,他们发现在β-0细胞接受基因治疗后,单拷贝慢病毒载体产生的血红蛋白水平是在正常个人中观察到的55%。β+细胞在接受基因治疗后,产生的血红蛋白水平与正常个人中的旗鼓相当,因此它们就被治愈。

在镰状细胞性贫血症中,问题又有着极大的不同。在这种疾病中,血红蛋白产生的数量适中,但是不能发挥正常功能,结果是红细胞形状类似镰刀,而且功能异常。因此利用基因疗法治疗镰状细胞性贫血症的一个问题就是导入一个新的基因后还要确保血红蛋白(不论是正常的,还是形似镰刀)的总量不应增加太多,不然就会产生其他问题。

通过这种新基因治疗方法来处理从镰状细胞性贫血症病人中提取的8个细胞样品,研究人员发现附着锚蛋白绝缘物到一个正常的β珠蛋白基因上会增加正常的β珠蛋白的数量,同时减少镰刀状蛋白的数量。这样β珠蛋白的总量保持不变,这点非常重要。

研究人员说,他们开发出的这种新的基因治疗技术有潜力治疗很多红细胞疾病,而且也是第一次将正常的β珠蛋白基因导入患病的细胞中的成功效率跟正常的血红蛋白表达水平提高相关联,而这长期以来是有效治疗这些疾病的一个障碍。(生物谷:towersimper编译)

Therapeutic Hemoglobin Levels after Gene Transfer in β-Thalassemia Mice and in Hematopoietic Cells of β-Thalassemia and Sickle Cells Disease Patients

Laura Breda, Carla Casu, Sara Gardenghi, Nicoletta Bianchi, Luca Cartegni, Mohandas Narla, Karina Yazdanbakhsh, Marco Musso, Deepa Manwani, Jane Little, Lawrence B. Gardner, Dorothy A. Kleinert, Eugenia Prus, Eitan Fibach, Robert W. Grady, Patricia J. Giardina, Roberto Gambari, Stefano Rivella

Preclinical and clinical studies demonstrate the feasibility of treating β-thalassemia and Sickle Cell Disease (SCD) by lentiviral-mediated transfer of the human β-globin gene. However, previous studies have not addressed whether the ability of lentiviral vectors to increase hemoglobin synthesis might vary in different patients.

We generated lentiviral vectors carrying the human β-globin gene with and without an ankyrin insulator and compared their ability to induce hemoglobin synthesis in vitro and in thalassemic mice. We found that insertion of an ankyrin insulator leads to higher, potentially therapeutic levels of human β-globin through a novel mechanism that links the rate of transcription of the transgenic β-globin mRNA during erythroid differentiation with polysomal binding and efficient translation, as reported here for the first time. We also established a preclinical assay to test the ability of this novel vector to synthesize adult hemoglobin in erythroid precursors and in CD34+ cells isolated from patients affected by β-thalassemia and SCD. Among the thalassemic patients, we identified a subset of specimens in which hemoglobin production can be achieved using fewer copies of the vector integrated than in others. In SCD specimens the treatment with AnkT9W ameliorates erythropoiesis by increasing adult hemoglobin (Hb A) and concurrently reducing the sickling tetramer (Hb S).

Our results suggest two major findings. First, we discovered that for the purpose of expressing the β-globin gene the ankyrin element is particularly suitable. Second, our analysis of a large group of specimens from β-thalassemic and SCD patients indicates that clinical trials could benefit from a simple test to predict the relationship between the number of vector copies integrated and the total amount of hemoglobin produced in the erythroid cells of prospective patients. This approach would provide vital information to select the best candidates for these clinical trials, before patients undergo myeloablation and bone marrow transplant.

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