疗效可持续一年，宾大团队用先导编辑和碱基编辑纠正基因突变

苯丙酮尿症（PKU）是一种常染色体隐性遗传病，会对患者神经系统造成严重的甚至不可逆的影响，该病通常在新生儿期就开始出现症状，如智力发育迟缓、语言障碍、行为异常等。

苯丙酮尿症的发病率因种族而异，在全球范围内大约每 1-2 万人中有 1 人患病，男性和女性的发病率没有差异。针对苯丙酮尿症，现阶段的治疗方法可以部分改善预后，但可用的药物有限并需要终身依从，给患者及其家庭带来沉重负担。

如今随着对 CRISPR 基因编辑技术研究的不断深入，已经开发出碱基编辑（Base Editing）、先导编辑（Prime Editing）等新工具，基因编辑疗法有望为苯丙酮尿症等一些遗传病的治疗提供新思路。

（来源：Human Genetics and Genomics Advances）

来自宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的科学家通过研究发现，采用包括先导编辑和碱基编辑在内的两种新兴 CRISPR 基因编辑方法能够有效降低苯丙氨酸水平，并可维持一年之久，为今后苯丙酮尿症的治疗带来新途径。目前，这两项研究分别发表在The American Journal of Human Genetics和Human Genetics and Genomics Advances上。

▲图｜宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院教授 Kiran Musunuru（来源：Penn Medicine）

“苯丙酮尿症是一种终身疾病，没有持久的治疗方法，这项研究为苯丙酮尿症患者带来了希望，它证明了使用基因编辑永久纠正与这种疾病相关的最常见基因变异的可行性。”这两项研究的主导者、宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院Kiran Musunuru教授表示。

Kiran Musunuru教授是宾夕法尼亚大学的遗传学家，同时也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。他实验室围绕心血管遗传学、生物统计以及多基因风险评分等领域开展了大量研究工作，曾利用全基因组关联研究（GWAS）方法发现了多个与心血管疾病相关的基因变异位点，并基于这些发现开发了预测模型，可以帮助医生更好地评估患者的心血管疾病风险，从而制定出更加个性化的治疗方案。截至目前，他的相关研究成果已发表在Cell、Nature、The New England Journal of Medicine等期刊上。

近日，在华盛顿特区举办的 2023 年美国人类遗传学学会（ASHG）年会上，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院Kiran Musunuru教授实验室成员围绕这两项研究成果进行了分享与解读。

一次治疗后，疗效可持续一年

机制层面，先前研究表明，苯丙酮尿症由编码苯丙氨酸羟化酶（PAH）的基因突变引起，由于苯丙氨酸羟化酶活性降低或缺失使苯丙氨酸（Phe）无法正常代谢，在体内血液中积聚，导致神经系统受损，引发神经发育迟缓、智力低下、精神和行为异常、癫痫等。

苯丙酮尿症患者需要接受长期乃至终身的药物治疗和健康监测，包括使用药物来促进苯丙氨酸的正常代谢，同时还需要定期进行血苯丙氨酸测定、尿液分析等检查，以监测病情的变化和治疗的效果，减少并发症的发生，提高患者的生活质量和健康水平。

近年来，美国 FDA 已经批准了两款药物用于治疗苯丙酮尿症，一款名为 Palynziq 注射液（一种人工酶，可代谢苯丙氨酸）用于降低苯丙酮尿症成人血液中苯丙氨酸水平；另一款名为 Kuvan（盐酸沙丙蝶呤）是一种处方药，可提高苯丙酮尿症患者体内残留的苯丙氨酸羟化酶活性以降低血液中的苯丙氨酸水平。

相较于传统“终身式”的治疗方法，此次通过基因编辑技术的治疗手段则属于“一劳永逸”。

在第一项围绕先导编辑方法开展的研究中，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院Kiran Musunuru教授首先探索了采用先导编辑方法来纠正导致这种疾病的基因突变。基于 129 名苯丙酮尿症患者的数据，他们发现（编码苯丙氨酸羟化酶基因中最常见的基因突变位点 c.1222C>T）遗传变异患者对其代谢状况控制较差。

随后，Kiran Musunuru和团队在含有该突变基因的人类肝脏细胞上进行了体外试验，成功证明了这种先导编辑方法是行之有效的。接下来，通过在小鼠肝脏中进行先导编辑的体内试验，研究人员成功地纠正了苯丙氨酸羟化酶基因位点（c.1222C>T）的突变，使苯丙氨酸水平显著降低。

据了解，苯丙酮尿症患者需要将苯丙氨酸水平维持在 120-360µmol/L 之间才能保持健康，然而大多数患者的苯丙氨酸水平高于该范围，这也是导致患者神经损伤的主要原因。

动物试验结果显示，所有接受治疗的小鼠都远低于 360µmol/L 的阈值，更为重要的是，这种纠正是在不影响小鼠肝功能的情况下实现的。

“苯丙酮尿症患者通常需要终身监测体内的苯丙氨酸水平，基因编辑将有望成为治疗苯丙酮尿症的潜在新疗法，可以显著改善和提高苯丙酮尿症患者的生活质量。尽管当下仍有很多挑战需要克服，但这些发现为进一步开发潜在新疗法铺平了道路。”Kiran Musunuru博士表示。

▲图｜通过碱基编辑纠正人类肝脏细胞苯丙氨酸羟化酶基因位点突变（来源：Human Genetics and Genomics Advances）

在第二项围绕碱基编辑方法开展的研究中，Kiran Musunuru和团队依然围绕苯丙酮尿症最常见的基因突变位点（c.1222C>T）开展研究。他们首先在实验室培养的人类肝脏细胞中测试了碱基编辑方法，然后在小鼠模型中进行体内试验。

他们发现，当使用与新冠病毒 mRNA 疫苗类似的技术，通过脂质纳米颗粒将选定的碱基编辑器和引导 RNA 递送到小鼠体内时，苯丙氨酸水平在 48 小时内趋于正常。而在相关研究中他们还发现，到目前为止治疗后小鼠苯丙氨酸水平的下降持续了一年。

▲图｜费城儿童医院儿科助理教授 Rebecca C.Ahrens-Nicklas 博士（来源：Children’s Hospital of Philadelphia）

“这些研究成果是苯丙酮尿症治疗向前迈出的重要一步。虽然我们对动物模型的研究结果为我们指明了正确的方向，但未来的研究还需要进一步推动这些进展，比如，接下来我们将专注于改进碱基编辑方法，并将其有效性与其他基因编辑方法进行对比。”费城儿童医院儿科助理教授、这两项研究的资深作者Rebecca C.Ahrens-Nicklas博士表示。

据了解，Kiran Musunuru和团队获得了美国国立卫生研究院2600 万美元的资助，以进一步推动他们将治疗苯丙酮尿症等碱基编辑疗法推进到临床应用。

首个先导编辑试验数据发布

针对遗传病，传统疗法可能需要终身用药，相较之下基因编辑疗法有望实现“一次治疗终身治愈”的疗效。

众所周知，DNA 由 4 种碱基组成，分别为腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T），这些碱基配对在一起形成 DNA 双螺旋结构。

传统的 CRISPR-Cas9 的基因编辑技术通过切割染色体双链来改变 DNA，这种依赖于 DNA 双链断裂的基因编辑方式可能会导致包括基因序列错误插入或缺失、染色体异常、潜在致癌风险等一系列不良后果。

而碱基编辑技术和先导编辑技术则几乎不存在这些缺点。具体而言，碱基编辑则通过化学方式“将 DNA 一个碱基更改为另一个碱基”，比如从 A 变为 G 并且保持染色体完好无损，实现了对细胞基因组中的单个碱基进行精准编辑，而无需 DNA 双链断裂。

然而，碱基编辑只能编辑单个碱基，它的“升级版”先导编辑也无需 DNA 双链断裂，不但可以实现单个碱基编辑，还能实现多碱基的精准插入、删除，先导编辑方法在理论上“可以修复 7.5 万种已知致病性人类遗传变异的近 90%”。

作为两种新兴的基因编辑方法，碱基编辑技术和先导编辑技术均源自美国哈佛大学与 Broad 研究所刘如谦教授等人。围绕碱基编辑技术和先导编辑技术，刘如谦等人先后创立了Beam Therapeutics和Prime Medicine两家基因编辑公司，两家公司分别于 2020 年和 2022 年在纳斯达克上市。

（来源：公司官网）

近日，在西班牙举办的 2023 年视网膜变性国际研讨会（RD2023）上，Prime Medicine公司公布了最新临床前研究数据，其先导编辑技术能够有效且精准地纠正导致视紫红质相关常染色体显性视网膜色素变性（RHO adRP）的显性突变，包括纠正了常见突变 p.P23H 位点以及突变热点区域的 18 种不同突变，基因编辑效率达到了阻止疾病进展的水平，同时也没有观察到脱靶编辑和 AAV 载体在宿主基因组中的整合。

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