La terapia génica que altera los genes de la hemoglobina puede ser una respuesta para curar la enfermedad de células falciformes (ECF) y la talasemia beta. Estas dos anemias comunes que amenazan la vida afectan a millones de personas en todo el mundo. Los científicos del St. Jude Children’s Research Hospital y el Broad Institute of MIT y Harvard utilizaron una tecnología de edición del genoma de próxima generación, la edición de base de adenosina, para reiniciar la expresión de hemoglobina fetal en células de pacientes con SCD. El enfoque elevó la expresión de la hemoglobina fetal a niveles más altos, más estables y más uniformes que otras tecnologías de edición del genoma que utilizan la nucleasa CRISPR/Cas9 en células madre hematopoyéticas humanas. Los hallazgos fueron publicados hoy en Nature Genetics.
« Mostramos que los editores básicos aumentan significativamente los niveles de hemoglobina fetal », dijo el autor correspondiente principal Jonathan Yen, Ph.D. director del grupo de ingeniería del genoma terapéutico de St. Jude. « Ahora, mi equipo de Ingeniería del Genoma Terapéutico ya está trabajando arduamente, comenzando a optimizar la edición básica para llevar esta tecnología a la clínica ».
La hemoglobina tiene la clave
La hemoglobina adulta, que se expresa principalmente después del nacimiento, contiene cuatro subunidades de proteínas: dos globina beta y dos globina alfa. Las mutaciones en el gen de la globina beta causan la enfermedad de células falciformes y la talasemia beta. Pero los humanos tienen otro gen de subunidad de hemoglobina (gamma-globina), que se expresa durante el desarrollo fetal en lugar de beta-globina. La gamma-globina se combina con la alfa-globina para formar hemoglobina fetal. Normalmente, alrededor del nacimiento, la expresión de gamma-globina se desactiva y la beta-globina se activa, cambiando de hemoglobina fetal a adulta. Las tecnologías de edición del genoma pueden introducir mutaciones que vuelven a activar el gen de la globina gamma, lo que aumenta la producción de hemoglobina fetal, que puede sustituir eficazmente la producción defectuosa de hemoglobina adulta.
« Usamos un editor basado en para crear un nuevo sitio de unión del factor de transcripción TAL1 que causa una inducción particularmente fuerte de hemoglobina fetal », dijo Yen. « La creación de un nuevo sitio de unión del factor de transcripción requiere un cambio de par de bases preciso, algo que no se puede hacer con CRISPR-Cas9 sin generar subproductos no deseados y otras posibles consecuencias de las roturas de doble cadena ».
« La gamma-globina [fetal hemoglobin] El gen es un buen objetivo para la edición de bases porque hay mutaciones muy precisas que pueden reactivar su expresión para inducir la expresión después del nacimiento, lo que puede proporcionar un poderoso tratamiento « único para todos » para todas las mutaciones que causan SCD y beta-talasemia. ”, dijo el coautor correspondiente Mitchell Weiss, MD, Ph.D. presidente del Departamento de Hematología de St. Jude.
Por lo tanto, los científicos quieren restaurar la expresión de la hemoglobina fetal porque es un tratamiento más universal para los principales trastornos de la hemoglobina que corregir la mutación SCD o cientos de mutaciones que causan la beta talasemia. El aumento de la expresión de hemoglobina fetal tiene el potencial de beneficiar terapéuticamente a la mayoría de los pacientes con SCD o beta talasemia, independientemente de sus mutaciones causales. Los investigadores han demostrado previamente la prueba de principio con múltiples enfoques de edición del genoma, pero este estudio es el primero en comparar sistemáticamente la eficacia de estas diferentes estrategias.
« Observamos de cerca los resultados de las secuencias de ADN individuales de las nucleasas y los editores de base utilizados para realizar ediciones terapéuticas de los genes de la hemoglobina fetal. Dado que las nucleasas a menudo generan mezclas complejas e incontroladas de muchos resultados de secuencias de ADN diferentes, caracterizamos cómo cada secuencia editada por nucleasas afecta al feto ». expresión de hemoglobina. Luego hicimos lo mismo con los resultados de edición de bases, que fueron mucho más homogéneos », dijo el coautor correspondiente David Liu, Ph.D. Richard Merkin, profesor del Instituto Broad del MIT y Harvard, cuyo laboratorio inventó la edición de bases en 2016.
El estudio descubrió que el uso de la edición de bases en el sitio más potente del promotor de la globina gamma logró niveles de HbF de 2 a 4 veces mayores que la edición de Cas9. Además, demostraron que estas ediciones básicas podrían retenerse en el injerto de células madre sanguíneas de donantes sanos y pacientes con SCD colocándolas en ratones inmunocomprometidos.
Abordar las preocupaciones de seguridad
« En última instancia, demostramos que no todos los enfoques genéticos son iguales », dijo Yen. « Los editores básicos pueden crear ediciones más potentes y precisas que otras tecnologías. Pero debemos realizar más pruebas de seguridad y optimización ».
Cuando se comparó la seguridad, la edición de bases provocó menos eventos genotóxicos, como la activación de p53 y grandes deleciones. La edición base fue mucho más consistente en sus ediciones y productos, una propiedad de seguridad muy deseable para una terapia clínica. A diferencia del Cas9 convencional, que genera mezclas incontroladas de mutaciones de inserción y eliminación denominadas « indels », la edición de bases genera cambios de nucleótidos precisos con pocos subproductos no deseados.
« En nuestra comparación, encontramos problemas imprevistos con las nucleasas Cas9 convencionales », dijo Weiss. « Nos sorprendió un poco que no todas las inserciones o eliminaciones de Cas9 aumentaran la hemoglobina fetal en la misma medida, lo que indica el potencial de resultados biológicos heterogéneos con esa tecnología ». El grupo descubrió que los glóbulos rojos individuales derivados de células madre hematopoyéticas tratadas con el mismo Cas9 producen una cantidad más variable de hemoglobina fetal en comparación con las células tratadas con edición de bases. Por lo tanto, la edición de base produjo resultados más potentes, confiables y consistentes, que son propiedades terapéuticas deseables.
Aunque la edición básica funcionó bien, los investigadores aún tienen que determinar su seguridad en los pacientes. En particular, la edición básica puede tener algunos riesgos que Cas9 no presenta; por ejemplo, algunos de los primeros editores de bases pueden causar cambios no deseados en el ADN o el ARN genómico en sitios fuera del objetivo. El grupo mostró que estos cambios son relativamente pequeños y no se prevé que sean dañinos, pero se justifican estudios más profundos para evaluar estos riesgos por completo.
El futuro de las terapias de edición de genes
A lo largo del estudio, los científicos compararon directamente el rendimiento de las nucleasas Cas9 en dos sitios objetivo diferentes que inducen la producción de hemoglobina fetal de diferentes maneras y edición de base. La edición de base utiliza un mecanismo de edición distinto que convierte directamente un par de bases de ADN en otro, en lugar de cortar la doble hélice de ADN en dos partes.
Los enfoques de la nucleasa Cas9 crean mezclas de deleciones e inserciones que afectan la expresión o la actividad de BCL11A, un conocido represor del gen de la gamma-globina. Por el contrario, la edición de bases crea un nuevo motivo de unión del factor de transcripción dentro del promotor de gamma-globina. Los enfoques de la nucleasa Cas9 y un enfoque de edición de base diferente se están probando a través de ensayos clínicos. St. Jude participa en algunos de estos estudios.
« Es muy importante probar y comparar diferentes enfoques de edición del genoma para tratar la SCD y la beta-talasemia porque no se conocen los mejores », dijo Weiss.
John Tisdale, MD, coautor del estudio y jefe de la Rama de Terapéutica Celular y Molecular del Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre, estuvo de acuerdo. « La ciencia de la edición de genes avanza rápidamente, y ahora podemos imaginar múltiples estrategias diferentes para combatir la enfermedad de células falciformes », dijo Tisdale. « Estos hallazgos nos acercan un paso más a nuestro objetivo de curas ampliamente disponibles ».