不切割DNA的基因编辑技术，开启镰刀型贫血症治疗新路径

β-地中海贫血和镰刀型细胞贫血症是全球最常见的单基因遗传性血液病。目前已获批的CRISPR基因疗法虽能有效缓解病情，但其通过切割DNA的治疗方式存在潜在的安全风险。

不久前，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）与美国圣裘德儿童研究医院（St. Jude Children's Research Hospital）的研究团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表研究成果，证实通过表观遗传编辑技术，靶向去除胎儿血红蛋白基因（HBG）启动子区域的DNA甲基化修饰，可在不切割DNA的情况下重新激活基因表达。

该研究不仅解决了一个持续40余年的科学争议——CpG甲基化究竟是基因沉默的原因还是结果，更为β-血红蛋白病的治疗开辟了更安全的新途径。

β-血红蛋白病（β-hemoglobinopathies）是一类由成人β-珠蛋白基因（HBB）突变引起的遗传性血液疾病，包括镰刀型细胞贫血症（Sickle Cell Disease, SCD）和β-地中海贫血（β-thalassemia）。患者因血红蛋白功能异常而遭受慢性溶血、血管阻塞和器官损伤等严重后果。

人类在胎儿时期表达的γ-珠蛋白基因（HBG1和HBG2，统称HBG）编码胎儿血红蛋白（Fetal Hemoglobin, HbF，α2γ2）。出生后，HBG基因逐渐被沉默，成人改为表达HBB基因。一个关键的临床发现启发了治疗策略：重新激活HBG基因，诱导成人红细胞产生HbF，可以弥补缺陷的HBB基因功能。携带遗传性胎儿血红蛋白持续存在症（Hereditary Persistence of Fetal Hemoglobin, HPFH）的个体能够终生产生高水平HbF，且即使同时携带β-血红蛋白病突变，临床症状也极为轻微。

2023年获批的CRISPR基因疗法Casgevy正是基于这一策略，通过敲除抑制因子BCL11A的红细胞增强子来重新激活HBG表达。然而，该疗法依赖Cas9切割DNA，存在引发脱靶突变、染色体重排甚至潜在致癌风险的隐患。

表观遗传编辑（Epigenome Editing）则提供了另一种可能性：通过修改基因表达的调控标记，而非基因序列本身，达到激活或沉默基因的目的。早在1979年，研究者就发现HBG基因启动子区域的CpG二核苷酸甲基化与基因沉默相关，但这种关联是因果关系还是伴随现象，一直存在争议。新研究通过精准的表观遗传编辑工具，首次证实了局部CpG甲基化是HBG基因沉默的直接原因。

研究团队首先通过CRISPR/Cas9全基因组筛选，在成人型红系细胞株HUDEP2中发现，UHRF1——一种协助DNMT1维持DNA甲基化的关键蛋白——是HBG沉默的重要调控因子。敲除UHRF1导致全基因组CpG去甲基化，HBG表达显著上升。这一发现指向了DNA甲基化在HBG沉默中的核心作用，但全局性去甲基化难以排除间接效应的干扰。

为明确局部启动子甲基化与HBG沉默的因果关系，研究团队采用了dCas9融合的表观遗传编辑器进行双向验证。正向验证使用TETv4编辑器（dCas9与TET1催化域融合）靶向去甲基化HBG启动子区域的6个CpG位点。

结果显示，HUDEP2细胞中HBG表达比例从2.2%飙升至86%，而对照组（无sgRNA或靶向无关基因EPX的sgRNA）表达水平无变化。更重要的是，这种激活效果在细胞连续培养3个月后仍维持在75%以上，表明HUDEP2细胞可能缺乏针对HBG启动子的从头甲基化能力，去甲基化后的激活状态可持续存在。

反向验证使用D3AL编辑器（dCas9与DNMT3A-DNMT3L融合）对TETv4处理后的细胞进行靶向再甲基化。结果显示，HBG表达从95%显著降至23%，而对照组保持高表达。研究通讯作者、新南威尔士大学Merlin Crossley教授形象地将甲基化比喻为"分子锚"："我们清楚地证明，如果你刷掉这些'蜘蛛网'，基因就会开启。当我们再把甲基加回去，基因又关闭了。所以这些化合物不是蜘蛛网——它们是锚。"

研究进一步在原代CD34⁺造血干/祖细胞分化的红系细胞中验证了这一编辑策略。TETv4处理使HBG启动子甲基化水平从约70%降至10%，HBG mRNA表达和HbF蛋白水平相应提升近5倍（从7-8%上升至约35%）。值得注意的是，这种表观遗传编辑不影响红系成熟标志物CD235a、CD49d和Band3的表达，表明细胞分化过程未受干扰。

研究还揭示了HBG沉默的分子机制。MBD2是NuRD共抑制复合物中识别甲基化CpG的亚基。研究者通过引入Y178F点突变削弱MBD2与甲基化CpG的结合能力，发现突变细胞中HBG表达显著上调（log2 FC = 2.7），证实MBD2对甲基化CpG的识别是介导NuRD复合物发挥沉默功能的关键环节。这一机制模型表明，CpG甲基化通过稳定MBD2-NuRD复合物在HBG启动子的占据，重塑局部核小体结构，从而抑制转录激活因子GATA1和NF-Y的结合。

这项研究的意义不仅在于解答了一个40余年的科学问题，更在于为β-血红蛋白病开辟了全新的治疗思路。与传统CRISPR疗法相比，表观遗传编辑具有显著的安全优势：dCas9不切割DNA，因此避免了DNA双链断裂修复可能引发的脱靶突变和染色体重排风险。"每次切割DNA，都存在致癌风险。对于需要终生治疗的遗传病，这是一种不好的风险，"Crossley教授指出，"但如果我们能做到不切断DNA链的基因治疗，就能避免这些潜在隐患。"

研究团队设想了未来临床应用的场景：提取患者的血液干细胞，在体外用表观遗传编辑器去除HBG启动子的甲基化标记，重新激活胎儿血红蛋白基因，然后将编辑后的细胞回输给患者。这些细胞将定植于骨髓，持续产生健康的红细胞。"可以把胎儿珠蛋白基因想象成自行车的辅助轮，"Crossley教授说，"我们相信可以在需要新轮子的人身上让它们重新工作。"

然而，研究也面临挑战。尽管HUDEP2细胞中去甲基化效果持久，但在原代CD34⁺细胞来源的红系细胞中，HBG激活水平相对较低（约35%），且体内环境中去甲基化状态能否长期维持尚不确定。造血干细胞可能保留从头甲基化能力，需要进一步研究确定是否需要周期性治疗。此外，TETv4处理后观察到的部分非靶标基因表达变化（尽管未影响整体转录组）也需要进一步评估其在体内的影响。

研究共同作者Kate Quinlan教授表示："我们对表观遗传编辑的未来充满期待。我们的研究表明，它允许我们在不修改DNA序列的情况下增强基因表达。基于这项技术的疗法与第一代或第二代CRISPR相比，预期将有更低的非预期负面效应风险。"除β-血红蛋白病外，许多遗传病涉及基因的异常开启或关闭，通过调控甲基化状态可能为这些疾病提供不破坏DNA的治疗方案。"也许最重要的是，现在可以将分子靶向到单个基因，"Crossley教授展望道，"这里我们去除或添加了甲基，但这只是开始。还有其他改变可以增强我们调控基因输出的能力，用于治疗和农业目的。这是一个新时代的开端。"

从1979年科学家首次注意到DNA甲基化与珠蛋白基因沉默的关联，到2025年利用表观遗传编辑精准验证这一因果关系，历时近半个世纪的探索揭示了生命调控的精妙逻辑。这项研究不仅证实了"甲基化是基因沉默的锚"这一核心命题，更开辟了一条无需切割DNA即可治疗遗传病的新路径。随着表观遗传编辑技术的持续优化和安全性验证，这种"温和"的基因调控方式有望为全球数百万β-血红蛋白病患者带来副作用更小、长期安全性更高的治疗选择。