CRISPR-Cas9基因编辑技术正在被开发作为一种基因治疗方法，用于治疗单个基因突变引起的遗传疾病，例如β-地中海贫血、镰状细胞病等等。此外，在CRISPR-Cas9基础上开发的碱基编辑（Base Editing）技术也已经开始了临床试验，治疗杂合子家族性高胆固醇血症（HeFH）。但这些基于CRISPR-Cas9的基因编辑疗法都专注于纠正发生在一小部分患者身上的特定基因突变，这限制了基因编辑疗法的广泛应用。

 

心血管疾病是全球发病率和死亡率的主要原因，钙离子/钙调素蛋白激酶IIδ（CaMKIIδ）是心脏信号和功能的中心调节因子。CaMKIIδ的慢性过度激活是心脏疾病的主要原因，会导致包括缺血/再灌注损伤、心力衰竭、心肌肥大和心律失常在内的多种心脏疾病。而CaMKIIδ的过度激活是由于其两个甲硫氨酸残基的氧化导致的。

 

因此，如果能设计一种基因编辑疗法阻止CaMKIIδ的氧化和过度激活，就有望开发出一种能够广泛适用于心血管疾病的基因编辑疗法。

 

近日，德克萨斯大学西南医学中心的研究人员在 Science 期刊发表了题为：Ablation of CaMKIIδ oxidation by CRISPR-Cas9 base editing as a therapy for cardiac disease 的研究论文。

 

该研究使用基于CRISPR-Cas9的腺嘌呤碱基编辑器（ABE），在小鼠模型上将CaMKIIδ的两个甲硫氨酸（ATG）编辑为缬氨酸（GTG），阻止CaMKIIδ的过度激活，能够保护心脏免受缺血-再灌注损伤的影响，促进心脏功能的恢复，减少永久性损伤，而且在心脏病发作后再进行治疗也为时不晚，有望开发为一种适用于广泛的心脏病患者的治疗和保护方法。

 

 

从分子机制上来看，CaMKIIδ的过度激活是由于其调节结构域中的两个甲硫氨酸残基（分别是Met281和Met282，位于外显子11）的氧化导致的。因此，如果将这两个甲硫氨酸替换为其它氨基酸，就能避免这种氧化作用，从而阻止CaMKIIδ的过度激活。

 

研究团队首先在iPSC来源的心肌细胞上进行了实验，实验结果显示，使用腺嘌呤碱基编辑器（ABE），将甲硫氨酸（ATG）改变为缬氨酸（GTG），替换后的CaMKIIδ就不易被氧化和过度激活。

 

 

接下来，研究团队在小鼠模型上进行了两项试验，在第一项实验中，研究团队在发生CaMKIIδ过度激活前的小鼠体内进行碱基编辑，以观察是否能防止CaMKIIδ过度激活以及后续的心脏疾病。在第二项实验中，研究团队在通过手术诱导的缺血-再灌注损伤小鼠模型上进行碱基编辑，以观察是否有助于心脏的恢复。

 

结果显示，第一项实验中，碱基编辑成功将CaMKIIδ过度激活的概率降到几乎为零。而在第二项实验中，碱基编辑则能够促进心脏的愈合和恢复，减少永久性损伤。

 

对CaMKIIδ的碱基编辑治疗改善缺血-再灌注损伤小鼠模型的心脏功能

 

此外，这种直接向心脏注射通过腺相关病毒9型（AAV9）递送的碱基编辑疗法，没有在心脏以外的器官的CaMKIIδ，也没有观察到明显的副作用。

 

碱基编辑（Base Editing）技术，是由刘如谦（David Liu）实验室开发的基于CRISPR-Cas9的新型基因编辑技术，能够在不像Cas9那样导致DNA断裂的情况下，直接进行单个碱基的替换。此后，刘如谦成立了 Beam Therapeutics ，致力于开发基于碱基编辑的疗法。

 

此外，Verve Therapeutics 获得了 Beam 的碱基编辑技术的授权，开发了碱基编辑疗法 VERVE-101，该疗法已经在新西兰完成了部分患者给药，并获得了FDA的临床试验批准，该疗法用于治疗杂合子家族性高胆固醇血症（HeFH），这也是首个体内碱基编辑的临床试验。

 

总的来说，这项发表在 Science 的研究在人源iPSC来源的心肌细胞以及小鼠模型上验证了通过碱基编辑来修饰CaMKIIδ，能够预防CaMKIIδ的氧化和过度激活，在小鼠中显示出对心脏的保护作用，有望成为一种适用于广泛的心脏病患者的治疗和保护方法。

 

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1105

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