Nature Genetics | 基于单碱基编辑技术识别非编码调控元件，首次在单碱基水平揭示胎儿血红蛋白表达调控模式
众所周知，调控元件也称为遗传开关，散布在整个DNA的非编码区域。这些区域不编码蛋白，约占整个基因组的98％，如增强子，抑制子、绝缘子等，但这些调控元件如何共同发挥作用调控基因表达以及其他种种问题一直未被揭示。美国圣犹达儿童研究医院血液学和计算生物学系程勇博士表示：“高通量检测技术平台普及前，识别关键调控元件的工作推进的非常缓慢。尽管进行了数十年的研究，但鉴定出的血红胎儿蛋白水平变化相关的调控元件和相关遗传变异仍不到一半”。
程勇博士
为更好地理解镰刀状细胞贫血症和β地中海贫血症等疾病的发病机制，在程勇博士的领导下圣犹达儿童研究医院研究团队开发出一种可识别调控元件并通过操纵基因表达来治疗镰刀状细胞病和β地中海贫血等疾病的高通量检测方法——ABEmax。 利用该方法识别了数十种DNA调控元件，并发现这些调控元件在胎儿血红蛋白转换为成人血红蛋白时发挥协同作用，首次从单碱基水平揭示了调控胎儿血红蛋白的非编码区调控模式。研究人员认为该技术方法可推广到其他涉及基因调控的疾病研究领域。相关研究成果已发表在Nature Genetics杂志上。
文章发表在Nature Genetics
碱基编辑技术相比CRISPR技术更高效，将极速推动血红蛋白紊乱性疾病的临床研究和治疗进展
据介绍，研究团队发明的ABEmax碱基编辑高通量检测技术，结合了生物信息学算法和碱基编辑工具以分析碱基编辑技术对基因表达的影响。与传统的基因编辑工具（如CRISPR / Cas9）相比，ABEmax可高效编辑DNA任意碱基，同时不会产生大的DNA插入、缺失。
图1：碱基编辑器ABEmax工作原理。来源：Nature Genetics
镰状细胞疾病的重要特征是血红蛋白突变特征，这种突变导致镰刀细胞贫血症患者的柔韧圆盘状红细胞变为脆性镰刀状细胞，后者会阻碍血液流动，引发疼痛、器官受损，并增加早亡风险。婴儿出生后胎儿血红蛋白含量通常急剧下降，遗传变异意味着有些人一生中都会产生胎儿血红蛋白，而没有不良影响。在镰刀状细胞贫血DNA突变患者中，胎儿血红蛋白的持续存在会减轻患者的临床症状。
基于此，研究人员使用ABEmax对307个调节元件中的10156个位点进行了碱基编辑。研究人员认为这些位点会影响胎儿血红蛋白表达，降低血红蛋白紊乱性疾病对机体的影响程度，例如通过碱基编辑将DNA双链中的A/T碱基替换为G/C碱基，镰状细胞贫血症患者的贫血症状可得到有效改善。因此BCL11A、MYB-HBS1L、KLF1和β样球蛋白基因的调控元件是该研究重点关注的基因。此外，该研究还对胎儿血红蛋白表达相关的已知调控元件进行了验证，并发现了许多新的调控元件。
Mitchell Weiss博士
该文章共同通讯作者、圣犹达儿童研究医院血液学系主任Mitchell Weiss博士对该碱基编辑技术予以高度评价：“程博士和我们的同事们使用该碱基编辑系统发现了一个由数十个调控元件组成的调控原件簇——'archipelago'，其在胎儿血红蛋白至成人血红蛋白的发育转换过程中发挥协同作用。对这种发育转换的深入了解，对镰状细胞贫血症和β地中海贫血症等血红蛋白类疾病的治疗具有重要意义，也将推动人类遗传学的快速发展。”
借助碱基编辑提高患者胚胎血红蛋白含量，减轻临床症状
研究团队使用ABEmax对最新发现的血红蛋白调控元件进行了碱基编辑，以破坏其原有生物学功能。结果显示，碱基编辑细胞中的胚胎血红蛋白含量增加，且在低氧条件下不会发生镰刀化。正常细胞在低氧条件下则容易发生上述变化。
图2：对照组与碱基编辑组胚胎血红蛋白（HbF）有明显差异。来源：Nature Genetics
该研究在国际上首次从单碱基水平研究了调控胎儿血红蛋白的非编码区调控元件的功能。此外，研究团队利用圣犹达镰刀细胞基因组计划中的基因数据，发现了许多调控元件。该基因组计划对约1000名镰状细胞病个体进行了全基因组测序。在非镰刀细胞基因组数据中，这些调控元件可能依然难以被发现。筛选到的多个具有治疗前景的新靶点，对于镰刀形细胞贫血和β-地中海贫血的治疗具有重要的指导意义和临床转化价值。
关于圣犹达儿童研究医院
美国圣犹达儿童研究医院一直致力于引领世界理解、治疗和治愈儿童癌症及其他威胁生命的疾病。 它是唯一由美国国家癌症研究所指定的专门针对儿童进行研究的综合癌症中心。自医院创立初始50多年以来，圣犹达开发的治疗方法已将儿童癌症患者的总体生存率从20％提高到80％，并持续性向世界免费分享自己取得的突破性治疗方法。医生和科学家们利用这些最新的医疗技术方法，未来或可拯救成千上万的儿童。此外，圣犹达儿童研究医院从不向救治的儿童家庭收取非保险范围内的治疗费用，以免给救治儿童的家庭带来精神和经济负担。
参考资料：
[1] Researchers speed identification of DNA regions that regulate gene expression
https://www.stjude.org/media-resources/news-releases/2021-medicine-science-news/researchers-speed-identification-of-dna-regions-that-regulate-gene-expression.html
[2] Cheng L , Li Y , Qi Q , et al. Single-nucleotide-level mapping of DNA regulatory elements that control fetal hemoglobin expression[J]. Nature Genetics, 2021:1-12.
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