广州医科大学用CRISPR纠正地贫突变

6月10日，国际著名学术期刊《Journal of Biological Chemistry》在线刊登了广州医科大学第三附属医院孙筱放教授带领的一项研究成果，该研究小组将ssODNs与CRISPR/Cas9介导的基因组编辑相结合，来特异性地靶定HBB基因CD41/42 (-CTTT)突变。

　　

生物通报道：β地中海贫血（β-Thal）是世界上最常见的一种遗传性疾病。生成患者特异性的β-Thal诱导多能干细胞（iPSCs），纠正这些细胞中的致病突变，然后分化成为造血干细胞（HSCs），为这种疾病的治疗提供了一种新策略。相关阅读：南方医科大学Blood发表地中海贫血研究新发现；中国发现世界首例缺失型α地中海贫血突变基因。

6月10日，国际著名学术期刊《Journal of Biological Chemistry》在线刊登了广州医科大学第三附属医院孙筱放教授带领的一项研究成果，题为“Combining single-strand oligodeoxynucleotides and CRISPR/Cas9 to correct gene mutations in Beta-thalassemia-induced Pluripotent Stem Cells”，该研究小组将ssODNs与CRISPR/Cas9介导的基因组编辑相结合，来特异性地靶定HBB基因CD41/42 (-CTTT)突变。

HBB基因的点突变影响mRNA转录、剪接或翻译，最终导致β血红蛋白的缺陷，并导致β-Thal。在中国，CD41/42 (-CTTT)、CD17 (A>T)和IVS2-654 (C>T)构成了β球蛋白中的移码或点突变，是三大最常见的β-Thal贫血突变之一。CD41/42上4 bp的缺失（-CTTT）是东南亚人群中最常见的β-Thal突变，并与中国南方人群是共有的。

目前，造血干细胞（HSCs）移植是治疗β-Thal的唯一方法；然而，人类白细胞抗原相匹配的健康捐赠者，是有限的。来源于患者体细胞的诱导多能干细胞（iPSCs），可以无限地自我更新，而不会丧失分化成所有细胞类型的能力，在再生医学中具有良好的前景，是用于致病突变原位校正的一种理想细胞群。

产生β-Thal患者的iPSCs，纠正这些iPSCs中的突变，然后分化成HSCs，为自体移植治疗疾病提供了一个机会。最近，开发基因编辑来纠正β-Thal iPSCs中的HBB突变，随后将纠正的iPSCs分化成HSCs，为这些没有骨髓移植匹配捐赠者的患者，提供了一种新的治疗选择。

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最近，有研究使用CRISPR/Cas9系统来促进真核生物细胞中有效的基因组工程。然而，在哺乳动物细胞中，Cas9介导的基因组编辑，通过非同源末端连接（NHEJ）或同源指导修复（HDR），来修复损伤或突变的DNA，并促进序列编辑。

传统的基因纠正方法，依赖于抗生素选择，然后去除标记，这是一个漫长的过程，增加了在人类iPSCs中产生额外基因组不稳定的风险。最近，有研究使用piggyBac或donor vector 作为修复模板，在β-Thal iPSCs 中开展CRISPR/Cas9诱导的基因组编辑。先前的研究表明，单链寡脱氧核苷酸（ssODNs）可能被用作模板，在人类细胞和动物模型中产生点突变和短序列插入；然而，还没有研究报道使用ssODNs作为模板来修复β-Thal患者特异性的iPSCs中的HBB突变。

在这项研究中，研究人员通过突变特异性的CRISPR/Cas9 gRNA和ssODNs，纠正了β-Thal iPSCs中的HBB CD41/42(-CTTT)突变。在纠正后，iPSCs仍然保留多能性和多向分化能力。全外显子组测序表明，与iPSCs中基因编辑相关的突变负载是最低的。

当纠正的iPSCs分化成红细胞时，研究人员验证了HBB蛋白表达的恢复。这些结果表明，ssODNs与CRISPR/Cas9介导的基因组编辑相结合，能够纠正一个人类遗传突变，并对于未来的治疗程序是有用的。

（生物通：王英）

注：孙筱放，女，教授，博士生导师，享受国务院特殊津贴专家。主要从事生殖遗传学以及再生医学领域的临床基础研究工作。作为项目负责人承担国家自然基金重点项目及多项面上项目，率先在国际上建立了β－地中海贫血的iPS细胞系，成功在美国科学院杂志（PNAS)首篇发表了ips对β－地中海贫血基因治疗的新方法。建立了多株羊水来源的的诱导多能性干细胞系，探索了产前治疗的新模式。已建立多株各种类型人的胚胎干细胞系（包括正常核型、异常核型及孤雌),大大丰富了中国人群胚胎干细胞资源库。

生物通推荐原文摘要：
Combining single-strand oligodeoxynucleotides and CRISPR/Cas9 to correct gene mutations in Beta-thalassemia-induced Pluripotent Stem Cells
Abstract：Beta-thalassemia (β-Thal) is one of the most common genetic diseases in the world. The generation of patient-specific β-Thal-induced pluripotent stem cells (iPSCs), correction of the disease-causing mutations in those cells, and then differentiation into hematopoietic stem cells (HSCs) offers a new therapeutic strategy for this disease. Here, we designed a CRISPR/Cas9 to specifically target the HBB gene CD41/42 (-CTTT) mutation. We demonstrated that the combination of single-strand oligodeoxynucleotides (ssODNs) with CRISPR/Cas9 was capable of correcting the HBB gene CD41/42 mutation in β-Thal iPSCs. After applying a correction-specific PCR assay to purify the corrected clones followed by sequencing to confirm mutation correction, we verified that the purified clones retained full pluripotency and exhibited normal karyotyping. Additionally, whole-exome sequencing showed that the mutation load to the exomes was minimal after CRISPR/Cas9 targeting. Furthermore, the corrected iPSCs were selected for erythroblast differentiation and restored the expression of HBB protein compared to the parental iPSCs. This method provides an efficient and safe strategy to correct the HBB gene mutation in β-Thal iPSCs.