《自然》子刊:胎儿时期的血红蛋白,竟是治病良药!探索 50 年,科学家或为最经典的遗传疾病,找到了不可思议的疗法

奇点网 / 2018-04-16
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从 0.2 厘米到 170 厘米,在开始衰老之前,人体的成长似乎一直都在做加法,尤其是在那不见天日的 10 个月里,加得飞快。5 周的时间,加上了原始心血管;7 周的时间,加上了四肢;10 周的时间,加上了全部器官。好像没有人在意都有什么被减掉了,毕竟人体这么精密,减掉的大概都是进化中不需要的东西。

可是现在,科学家们需要将一个“被减掉”的东西重新找回来。

50 年的时间,几代科学家的努力,在本月的《自然遗传学》杂志上终于有了答案,来自新南威尔士大学的研究人员破解了胎儿血红蛋白的“消失之谜”,掌握了重启它的“基因钥匙”,那些成人血红蛋白有缺陷的,比如β- 地中海贫血和镰状细胞病患者或许将迎来新的治疗希望 [1]。

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β- 地中海贫血和镰状细胞病都属于β- 血红蛋白病,根本原因都是红细胞中β- 珠蛋白(HBB)基因的突变。不过β- 地中海贫血表现为正常β- 珠蛋白产生不足,而镰状细胞病则是产生了结构变异的β- 珠蛋白。

对于镰状细胞病来说,患者从儿童时期就开始出现症状,除了贫血还会出现反复感染和周期性疼痛,镰刀状的红细胞分解比正常红细胞迅速,会导致黄疸。这种“形态奇怪”的红细胞还会卡在毛细血管中,导致疼痛和器官组织供氧不足,出现器官损伤。更加严重的,有大约 1 / 3 的患者会出现肺动脉高压,导致过早的心衰。

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镰状红细胞堵塞血管

β- 地中海贫血患者也同样发病很早,虽然有些轻型患者甚至不需要输血,但他们仍然要和其他患者一样面临铁超负荷的风险,尤其是在肝脏中。更不用说那些需要输血的中重型患者,反复输血导致的铁超负荷和铁毒性会导致各种问题,包括肝硬化和心衰,很多重型患者还因为脾脏功能亢进需要手术切除脾脏。如果不积极干预的话,重型患儿通常活不过 5 岁。

全世界镰状细胞病致病基因的携带者高达 7%,主要分布在非洲、地中海地区和东南亚,而β- 地中海贫血除了在地中海地区外,在我国南方,尤其是广东省和广西省发病率也很高,基因缺陷率能达到 10% 和 20%。按照估算,广东省每年出生的重型患儿能达到 500 例 [2]。

那么我们开头所说的胎儿血红蛋白又和治疗这些疾病有什么关系呢?

β- 血红蛋白是成人血红蛋白,而胎儿血红蛋白的“代号”是γ。血红蛋白从我们还是一颗胚胎的时候就存在了,像接力一样,胚胎时期是胚胎血红蛋白,到了 10-12 周就变成了胎儿血红蛋白,再到了婴儿出生后 6 个月左右,又会被成人血红蛋白替代,胎儿血红蛋白的量不超过 1%。

之所以有这样的转变是因为不同时期,血红蛋白需要承担的功能有一定差异。比如胎儿血红蛋白结合氧气的能力就远远优于成人的,这样才能帮助胎儿更好地从母亲的血液中获得氧气。

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胎儿血红蛋白(蓝色)的氧饱和度曲线与成人血红蛋白(红色)相比显示左移,因为胎儿血红蛋白对氧气有更大的亲和力

而胎儿血红蛋白的量急剧减少是因为在出生后,胎儿血红蛋白基因会被沉默,不再表达。但是凡事总有万一,有些人的胎儿血红蛋白基因会发生突变,使他们能够一直产生这种蛋白。神奇的是,如果是一个β- 血红蛋白没有问题的健康人,那么一直产生胎儿血红蛋白对他也不会有任何不良影响。

可是这对于β- 血红蛋白病患者来说就不一样了。胎儿血红蛋白可以弥补成人血红蛋白的缺失,如果他们同时也携带胎儿血红蛋白基因突变的话,病况会出现不同程度的减轻,有些甚至可以将总血红蛋白提高到接受治疗后的水平 [3]。

所以,自从 20 世纪 60 年代在一些非洲人和希腊人中观察到了胎儿血红蛋白的持续高表达之后 [4],科学家们就再没有停下过对“重启”这个蛋白以治疗β- 血红蛋白病的探索。

大量的研究表明,胎儿血红蛋白基因的沉默是有多个抑制因子在发挥作用,他们也鉴定出了一些,但是这些抑制因子谁起着“必需”的作用,它们又得结合在基因的什么位置才能使基因被完全沉默,这些还都尚未解决。只有搞清楚了这些问题,才能精准地、效率最高地、重启被沉默的基因,最大程度地产生胎儿血红蛋白。

踩在那么多巨人的肩膀上,这个问题被新南威尔士大学 Merlin Crossley 教授的三名博士生花了 5 年的时间解决了。他们找到了两枚“基因钥匙”——BCL11A 和 ZBTB7A,它们分别结合在胎儿血红蛋白基因的转录起始区域上游的 115 和 200bp 位点。

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Merlin Crossley 教授

两个基因,两个位点,就是 50 多年来,科学家们一直追寻的答案。利用 CRISPR-Cas9 技术在红细胞中制造出这两个点突变后,研究人员成功地观察到了胎儿血红蛋白水平的大幅增加。

Crossley 教授表示,基于他们这个研究的基因治疗相比其他基因治疗来说,不用引进新的基因,而是让已有的基因发生良性突变,它的安全性应该更高。未来,这个领域中的研究人员还需要进行更多的研究将它发展为真正的基因疗法 [5]。

编辑神叨叨

前两天奇点糕关注的一个医生博主分享了一则医院小故事,一个风湿性心脏病患者十年前因为病变和严重心衰想去换瓣膜却被告知身体状况没法手术,自此对生活丧失信心,不吃药不控制饮食,没想到病虽然越来越重却还一直活着。

去年年底换了瓣膜但是情况依然没有好转,这次再入院,家属被告知,如果再早几年做手术就好了,十年前的医疗技术做不到,但是晚几年就可以了,如果做了的话肯定不是现在这个束手无策的局面。因为医疗技术的发展刚好超过了病情的进展速度,以前做不了的手术,现在可以做,以前没有药,现在有了。

之所以花这么长的篇幅把这则小故事分享给大家是想说,奇点糕们写的很多文章,都有留言说,没转化到临床说什么说?说这些都没用。包括今天的这一篇可能也会有读者这样想。可是本糕觉得,对于那些被疾病困扰的人来说,说不定技术的发展就会比他们疾病的进展要快,说不定他们有机会成为新疗法的获益者,他们是最应该了解这些前沿信息的人。毕竟,谁知道希望能带给人多大的力量呢?

参考资料:

[1] Martyn G E, Wienert B, Yang L, et al. Natural regulatory mutations elevate the fetal globin gene via disruption of BCL11A or ZBTB7A binding[J]. Nature genetics, 2018: 1.

[2] 王燕燕, 李晓辉, 徐西华. 地中海贫血诊治进展与我国现状[J]. 中国实用儿科杂志, 2013, 28(6):473-476.

[3] Wilber A, Nienhuis A W, Persons D A. Tranional regulation of fetal to adult hemoglobin switching: new therapeutic opportunities[J]. Blood, 2011, 117(15): 3945-3953.

[4] WHEELER J T, KREVANS J R. The homozygous state of persistent fetal hemoglobin and the interaction of persistent fetal hemoglobin with thalassemia[J]. Bulletin of the Johns Hopkins Hospital, 1961, 109: 217.

[5] https://www.genengnews.com/gen-news-highlights/crispr-use-could-lead-to-organic-gene-therapies-for-blood-disorders/81255649

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