研究人员使用一种称为碱基编辑的高精度基因组编辑技术对患者骨髓中的血液干细胞进行了数百次直接编辑。
他们的工作今天发表在《细胞》杂志上，这是第一次将这种高通量碱基编辑应用于血液干细胞，这种碱基编辑可以同时在许多细胞的DNA中进行许多单碱基替换。研究小组展示了基因中的这种单核苷酸变化如何影响血细胞的生物学，并有助于治疗包括白血病和镰状细胞病在内的疾病。这些发现表明，该技术可以帮助科学家更多地了解基因变异在多种细胞类型疾病中的作用。
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“我们的方法不仅可以让我们了解特定基因是否可能与人类疾病有关，还可以确切地了解该基因的个体变化如何在分子水平上发挥作用，”这项新研究的资深作者，麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的准成员Vijay Sankaran说。“这种更精细的决议为我们提供了疾病如何发生以及如何治疗它们的新路线图。
Sankaran也是波士顿儿童医院的Lodish Family Chair，哈佛医学院儿科医学副教授Jan Ellen Paradise以及纽约干细胞 - 罗伯逊研究员，与Broad的核心研究所成员Ramnik Xavier和其他同事合作领导了这项新工作。桑卡兰实验室的博士候选人豪尔赫·迭戈·马丁·鲁菲诺(Jorge Diego Martin-Rufino)是该研究的第一作者。
“影响血液病患者需要通过导致疾病的过程进行实验。台式科学家，生物技术专家和医生之间的这种非凡的多机构合作概述了在与血液疾病有关的相关细胞类型中绘制疾病相关变异的途径，“Xavier说，他也是Broad的Klarman细胞观察站主任，哈佛医学院Kurt J. Isselbacher医学教授，计算和整合生物学中心主任和分子生物学系的核心成员 麻省总医院。
技术的融合
数十亿个核苷酸构成了一个人的基因组，而改变为一个核苷酸 - 称为单个核苷酸变体 - 可以引发疾病。近几十年来，科学家们越来越善于确定这些变异与疾病之间的联系。然而，确切了解每种变异体导致疾病的原因或方式更加困难。
“除非我们了解这些变异导致疾病的机制，否则我们通常无法对它们做任何事情，”桑卡兰说。“当我们能够在分子水平上绘制出正在发生的事情时，它给了我们更多的干预机会。
虽然碱基编辑对于编辑培养细胞系的基因组是有效的，但将其用于编辑从患者身上提取的细胞中的基因更具挑战性。
在这项新研究中，Martin-Rufino，Sankaran及其同事成功地将碱基编辑应用于患者来源的造血干细胞，骨髓细胞产生多种血液和免疫细胞。他们还使用了单细胞RNA测序，让研究人员随时观察哪些基因在任何给定细胞中是活跃的。使用这两种方法，他们可以研究编辑过的细胞与未编辑的细胞在经历不同发育阶段时有何不同。
与以前简单地将基因与疾病联系起来的研究方法不同，新方法使研究小组能够确切地看到基因的变化如何改变许多不同细胞类型的整体RNA指纹。
“这是一个非常强大的平台，可以直接在相同的细胞类型中识别新的基因疗法，这些细胞类型将成为各种人类疾病的治愈疗法的目标，”Martin-Rufino说。“通过我们的方法，我们不仅可以引入DNA序列的特定变化，还可以确切地知道这些变化在不同细胞类型中的影响。
将核苷酸与疾病和治疗联系起来
为了测试他们新的碱基编辑屏幕的效用，Sankaran的小组用它来编辑已知在疾病中起作用的基因。
在一个案例中，该小组编辑了CD33基因，该基因编码一种免疫检查点受体，该受体通常存在于急性髓性白血病(AML)患者的血细胞中。现有的免疫治疗药物旨在通过引导免疫细胞攻击表达CD33的细胞来治疗AML，但这些疗法会破坏白血病细胞和健康的造血干细胞。使用碱基编辑，研究人员研究了CD33的单核苷酸变化可以降低其在健康细胞中的表达，从而可能防止这些细胞受到CD33靶向免疫疗法的影响。
在另一组实验中，研究人员对可能与红细胞中胎儿血红蛋白产生相关的基因组区域进行了多种不同的单核苷酸编辑。他们发现了一组可以激活胎儿血红蛋白产生的编辑，指出了可能治疗影响成人血红蛋白形式的疾病(如镰状细胞病)的方法。
最后，Sankaran和合作者对GATA1基因进行了数百种不同的编辑，该基因被发现在少数不同罕见血液疾病的患者中具有变异。然而，在大多数情况下，医生不确定患者的GATA1突变是否直接导致他们的疾病。在分析了血细胞发育四个不同阶段的近300万个单个细胞后，Sankaran的研究小组描述了有多少GATA000突变改变了血细胞中其他基因的表达，改变了细胞的整体生物学并可能导致疾病。
“这真正让我们做的是起诉许多这些变异作为疾病的致病，这是令人难以置信的令人满意的，”Sankaran说。“了解这些患者疾病的确切原因是开发治疗方法的第一步。
Sankaran的团队正在计划未来对其他感兴趣的基因进行碱基编辑筛选，包括其他类型的血液和免疫细胞。他们还希望很快能够使用新型碱基编辑来扩展可以对核苷酸进行更改的类型。
“这些进步中的每一个都将非常有帮助，使我们能够继续填补遗传变化与人类疾病之间的空白，”桑卡兰说。
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