脂肽介導(dǎo)CRISPR-Cas9遞送基因編輯在遺傳性眼病治療新方法中的應(yīng)用

Stargardt �。⊿TGD1）是一種由 ABCA4 基因的雙等位基因變異引起的遺傳性黃斑變性疾病。ABCA4 基因編碼一種定位在光感受器外段的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，負(fù)責(zé)清除視覺(jué)循環(huán)中的有毒副產(chǎn)物。目前已發(fā)現(xiàn)超過(guò) 1,200 種 STGD1 致病性變異，其中約 10% 是隱藏在基因深處的“深內(nèi)含子（deep-intronic, DI）突變”——它們會(huì)讓細(xì)胞在讀取基因時(shí)錯(cuò)誤插入多余的“偽外顯子”，導(dǎo)致生成的蛋白質(zhì)無(wú)法正常工作或被提前降解。目前，在研的反義寡核苷酸療法需要為每個(gè)突變單獨(dú)設(shè)計(jì)序列，適用范圍很小。因此，開(kāi)發(fā)一種糾正不同位點(diǎn)突變引起的剪接缺陷的通用療法具有重要意義。

近日，荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)醫(yī)學(xué)中心和烏特勒支大學(xué)藥物科學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在 Molecular Therapy – Nucleic Acids 雜志上聯(lián)合發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究。他們利用 CRISPR-Cas9 基因編輯系統(tǒng)，結(jié)合兩組導(dǎo)向 RNA（gRNA），分別靶向 ABCA4 基因中兩個(gè)高頻 DI 變異區(qū)域（內(nèi)含子 30 和 36），并通過(guò)脂肽 C18:1-LAH5 實(shí)現(xiàn) Cas9 核糖核蛋白（Cas9 ribonucleoproteins, Cas9 RNP）的高效遞送。該策略不僅能精準(zhǔn)切除錯(cuò)誤插入的基因片段，還能保留正常蛋白功能。該策略在視網(wǎng)膜前體細(xì)胞中的成功應(yīng)用，為開(kāi)發(fā)通用型基因療法奠定了基礎(chǔ)。這項(xiàng)突破不僅為 Stargardt 病患者帶來(lái)新希望，也為其他遺傳病的治療開(kāi)辟了新思路。

一、RPNCs 綜合表征
研究者分別設(shè)計(jì)了靶向 ABCA4 基因內(nèi)含子 30 和 36 的 gRNA，并選擇了油酸修飾的 LAH5 多肽（即脂肽 C18:1-LAH5）作為遞送載體。C18:1-LAH5 與 Cas9 RNP 孵育后形成納米復(fù)合物（ribonucleoprotein nanocomplexes, RPNCs），通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射（DLS）監(jiān)測(cè) RPNC 的形成。結(jié)果顯示，隨著 Cas9 RNP: 脂肽比例提高，RPNCs 的粒徑減小，平均粒徑在 151-191 nm 之間；隨著脂肽濃度的增加，RPNCs 的 Zeta 電位逐步升高（圖 1A），此外，電泳遷移率轉(zhuǎn)移試驗(yàn)（electrophoretic mobility shift assay, EMSA）顯示（圖 1B），RPNCs 的遷移率隨著脂肽濃度的增加顯著降低，在 GFP-Cas9:ATTO550-gRNA:ATTO647-gRNA:脂肽=1:1:1:50 的比例下即可合成 RPNCs 穩(wěn)定產(chǎn)物。綜上結(jié)果表明，脂肽 C18:1-LAH5 能夠與 Cas9 RNP 高效結(jié)合，形成穩(wěn)定的納米復(fù)合物。

圖1. RNP 和 C18:1-LAH5 脂肽不同比例下合成的 RPNCs 表征

利用 NanoFCM 在單顆粒水平對(duì) RPNCs 進(jìn)行綜合表征，檢測(cè)參數(shù)包括顆粒粒徑、濃度和包封率等多個(gè)維度。結(jié)果顯示，與不含 C18:1-LAH5 脂肽的樣品相比，Cas9 RNP 與 C18:1-LAH5 脂肽形成 RPNCs 后（無(wú)論是單個(gè) gRNA 還是兩個(gè) gRNA 的組合）中位直徑和熒光陽(yáng)性顆粒的濃度均顯著增加（圖 2A-D）；此外，RPNCs 在單顆粒水平兩種 gRNA 雙陽(yáng)的比例高達(dá) 84%，比不含脂肽的樣品比例高出 70 倍（圖 2E-F）。綜上表明，C18:1-LAH5 脂肽能夠有效促進(jìn)復(fù)合物形成 RPNCs，而不含 C18:1-LAH5 脂肽的樣本中熒光顆粒很可能是 Cas9 RNP  的聚集物。
 

圖2. NanoFCM 對(duì) RPNCs 的綜合表征

二、細(xì)胞攝取效率
為了觀察細(xì)胞對(duì) RPNCs 的攝取，在 HeLa 細(xì)胞中加入 RPNCs，并在分別培養(yǎng) 2、4、12、24 小時(shí)后進(jìn)行熒光共聚焦成像。結(jié)果顯示，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，GFP-Cas9、ATTO550-gRNA1和ATTO647-gRNA2 的熒光信號(hào)均逐步增強(qiáng)，表明 HeLa 細(xì)胞能同時(shí)攝取 RPNCs 中的 Cas9 和兩種 gRNA（圖 3）。
 

圖3. 共聚焦熒光顯微鏡下細(xì)胞攝取 RPNCs

三、基因編輯效率
明確了細(xì)胞對(duì) RPNCs 的有效攝取后，為了驗(yàn)證 RPNCs 模型的基因編輯能力，研究者們選用了 HEK293T stoplight 和 eGFP HEPA 兩種熒光報(bào)告細(xì)胞系對(duì) RPNCs 的編輯效率進(jìn)行評(píng)估。首先在 HEK293T stoplight 細(xì)胞系中分別使用脂肽 C18:1-LAH5 和 LAH5 修飾的 RPNCs 進(jìn)行 eGFP 的插入，如圖 4A、B 所示，脂肽 C18:1-LAH5 的組別中 eGFP 的表達(dá)量顯著高于 LAH5；而后在 eGFP HEPA 細(xì)胞中進(jìn)行 eGFP 敲除，如圖 4C、D 所示，脂肽 C18:1-LAH5 的組別敲除比例顯著高于 LAH5，且隨濃度升高而升高。綜上表明 RPNCs 能夠有效地對(duì)目標(biāo)片段進(jìn)行插入和敲除，而脂肽 C18:1-LAH5 的遞送效率顯著高于 LAH5，且 RNP 與脂肽比例為 1:250 時(shí)均呈現(xiàn)較高的編輯效率。

圖4. 兩種熒光報(bào)告細(xì)胞系中 RPNCs 的基因編輯效率

在明確 RPNCs 的最優(yōu)合成比例、遞送條件后，研究者們?cè)?HeLa 細(xì)胞、患者來(lái)源的成纖維細(xì)胞、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的光感受器前體細(xì)胞（PPCs）等不同來(lái)源細(xì)胞系中進(jìn)行了細(xì)胞攝取實(shí)驗(yàn)，探究了 RPNCs 的基因編輯效率，例如在成纖維細(xì)胞模型中，針對(duì)內(nèi)含子 30，gRNAs（30 1+2）在對(duì)照組和 STGD1 患者組中均實(shí)現(xiàn)了部分內(nèi)含子移除，編輯效率均在 75% 左右，顯著高于 gRNAs（30 3+4）（圖 5A）。針對(duì)內(nèi)含子 36，兩對(duì) gRNA（gRNAs 36 1+2和gRNAs 36 1+3）都能誘導(dǎo)部分缺失，效率均為 40% 左右（圖 5B）。此外，研究者們還在基因組水平、RNA 水平和蛋白質(zhì)水平對(duì) RPNCs 的基因剪切、剪切后修復(fù)等方面進(jìn)行了研究，證明了脂肽 C18:1-LAH5 修飾的 RPNCs 在不同細(xì)胞模型中均表現(xiàn)出優(yōu)秀的基因編輯效率，為 STGD1 的治療提供了有力支持。

圖5. 成纖維細(xì)胞中 RPNCs 的基因編輯效率

研究意義
該研究提出了一種基于脂肽介導(dǎo) CRISPR-Cas9 遞送的通用基因編輯策略，能夠糾正 ABCA4 基因中由 DI 突變引起的剪接缺陷。這種方法不僅適用于特定突變，還可以同時(shí)糾正多個(gè)突變，為 STGD1 的治療提供了一種潛在的通用解決方案。此外，脂肽遞送還為非病毒遞送系統(tǒng)在基因編輯中的應(yīng)用提供了新的思路和方法，推動(dòng)了基因編輯技術(shù)在眼科領(lǐng)域的應(yīng)用。

展望
NanoFCM 能在單顆粒水平對(duì)納米級(jí)顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)（如粒徑、熒光強(qiáng)度等）進(jìn)行綜合表征。在基因編輯領(lǐng)域，NanoFCM 可用于表征 RPNCs 的粒徑分布、包封效率、熒光強(qiáng)度等多維信息，這有助于深入理解 RPNCs 的理化性質(zhì)，為遞送系統(tǒng)的研發(fā)和優(yōu)化提供有力支持。展望未來(lái)，隨著基因編輯技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)載體質(zhì)量、荷載效率等關(guān)鍵指標(biāo)的檢測(cè)勢(shì)必會(huì)成為常規(guī)要求，NanoFCM 有望成為基因編輯載體質(zhì)量控制和穩(wěn)定性評(píng)估等指標(biāo)的關(guān)鍵表征工具，為臨床科研和產(chǎn)業(yè)化提供便捷且精準(zhǔn)的檢測(cè)方式，推動(dòng)新型治療技術(shù)的發(fā)展！