行研 | 基因编辑——人类主宰自己命运的曙光

前言

药物的研发史,就是人类对生命体研究史的直观反馈。随着人类对细菌、受体、蛋白、RNA及DNA的了解愈加深入,药物的发展也从抗菌药、受体拮抗剂、靶向蛋白药逐步发展到细胞与基因治疗。随着越来越多的底层基因编辑工具的开发,对DNA和RNA直接修改的基因编辑疗法已成为攻克难治疾病的利器。


人体是高度程序化的

我们越发地发现人体,如同电脑程序,是高度程序化的生物。从受精卵开始,初始程序就已经设定完成。分化,发育朝着不可逆的方向,按照既定程序进行。

人体这台电脑的初始程序中有些就存在bug,而外界环境带来的影响,以及程序日积月累的运营,难免又产生了许多新的bug。这也就是人类疾病的来源,我们目前还没有办法重启程序,但我们已经在尝试去修复程序性bug。


人体天书,从读到写

从1953年沃森和克里克发现DNA双螺旋结构开始,分子生物学带领生命科学研究突飞猛进,我们对生命的认识到达了一个前所未有的高度:

A、T、G、C四个碱基,A-T和G-C相互成对;

3,160,000,000对碱基对;

随机每三个碱基组成一个密码子;

外显子部分翻译表达,形成了每个个体。

近50年后的2000年,人体天书(人类基因组草图)绘制完成,人类已经可以自主“阅读”天书。

读是第一步,改写是下一个目标。

可能超乎所有人的预期,也才又仅仅过了十几年,2013年张锋首次将CRISPR-Cas9基因编辑技术改进并应用于哺乳动物和人类细胞,我们找到了“改写”天书的关键钥匙。

按照达尔文进化论,经过亿万年的演变自然界才创造了人类,而人类在短短的70年的时间里掌握了自身密码,并开始要主宰人类自己的命运。


人类治疗疾病的前路在哪里?

1958年中心法则由DNA之父Crick提出,是指遗传信息从DNA传递给RNA,再从RNA传递给蛋白质,即完成遗传信息的转录和翻译的过程,蛋白质反过来协助这两项流程,并协助DNA自我复制。

纵观人类药物研发史,靶向蛋白质药物占据了极为重要的地位,因为人体的各种功能都是由蛋白质实现的,能与蛋白质形成“钥匙与锁”关系的小分子药物是药物研发的主流方向,随后基于抗原识别蛋白的抗体药物也蓬勃发展。

随着2000年人类基因组测序全部完成,越来越多变异与受损的基因被发现并作为药物研发的靶点。药物研发正沿着与中心法则相反的方向,针对遗传信息传递的上游,从基因层面直接修复矫正致病基因,以期在治根治本的本源上解决疾病问题。基因编辑操作包括对目标基因进行删除、替换、插入等操作,适用于不同的基因问题。

基因编辑药物具有独特的优势:

(1)药效长。一次管终生,在根源上debug。

(2)治愈性高。现在的基因编辑工具已经具有很高的编辑效率。

(3)靶向能力强。DNA或RNA序列具有一一配对特性。

(4)设计容易。只需设计gRNA序列来找到匹配位点。

(5)有效覆盖传统不可成药或难成药靶点。不管蛋白三维结构如何复杂,序列是相对简单的。

目前,人类基因编码的功能性蛋白超2万个,而现有技术可靶向成药的仅3000个左右,余下80%的蛋白靶点有望通过基因编辑治疗,潜在应用空间巨大。


基因编辑的种类

基因编辑技术主要包括ZFN技术、TALEN技术、CRISPR/Cas技术及RNA编辑调控技术。

ZFNs是第一代基因编辑技术,优势为基因修复方式多样、精准更换基因、对基因表达强度影响较小,ZFNs劣势为设计与筛选过程复杂、“可编辑性”较低、存在脱靶风险和细胞毒性及治疗成本高,且已被Sangamo专利封锁而无法规模化应用。TALENs结构类似于ZFNs,较ZFNs毒性低且构建容易,它成为ZFNs的替代物迅速出现,是首个真正意义上的基因可编辑工具,但劣势是TALENs在尺寸上比ZFNs大,而且有更多重复序列,所以其编码基因在大肠杆菌中组装更加困难。

CRISPR/Cas技术是2012年出现的最新的基因编辑技术,被Nature杂志列为2013年年度十大科技进展之一,其为轻量级的基因编辑系统,可对基因进行定点的精确编辑。

CRISPR最初在大肠杆菌中发现,CRISPR/Cas9参与了细菌通过诱导RNA引导的DNA切割对入侵的外源DNA进行适应性免疫防御。CRISPR/Cas9系统由两个部分组成,一个单链引导RNA(sgRNA)和一个Cas9核酸内切酶。sgRNA通常包含一个独特的20碱基对(bp)序列,用于以序列特异性方式补充目标DNA位点,之后必须有一个短的上游DNA序列,该序列对于与所用Cas9蛋白的兼容性至关重要,该序列被称为“NGG”或“NAG”的“原间隔相邻基序”(PAM)。sgRNA通过Watson-Crick碱基配对与靶序列结合,Cas9精确切割DNA以生成DSB。在DSB之后,DNA-DSB修复机制启动基因组修复。利用CRISPR/Cas9系统,通过NHEJ或高保真HDR途径,可以进行有针对性的基因组修改,包括引入小插入和删除(INDEL)。

图片来源:CRISPR/Cas‑Based Modifications for Therapeutic Applications: A Review

核酸酶Cas9在所有情况下都是相同的,并且可以通过改变sgRNA序列来方便地进行设计以识别新位点,sgRNA序列通过Watson-Crick碱基配对与靶位点匹配。此外,CRISPR/Cas的另一个优点是,它具有同时进行多个位点编辑的潜力,与其他基因编辑技术相比,CRISPR/Cas更容易、更高效、成本更低、更可扩展。CRISPR/Cas现在是生物学研究中不可或缺的工具。

今年2月,美国专利商标局(USPTO)通过抵触审查程序(PatentInterference No. 106,115)对持续数年的CRISPR-Cas9发明专利纷争做出了关于优先权(priority)的决定,来自博德研究所的华裔科学家张锋团队拥有在真核细胞中使用CRISPR-Cas9系统的专利。虽然这并不代表张锋团队与诺贝尔奖得主Emmanuelle Charpentier、Jennifer Doudna团队之间的专利纷争就此终结。但这场旷日持久的拉锯也让人们看到了基因编辑工具底层专利背后蕴藏的巨大商业价值。

目前,围绕CRISPR-Cas技术的专利更多为欧美国家所掌握。基础科研的突破和底层专利的授权和实施则成为我国基因编辑和基因疗法产业发展的关键。拥有独立知识产权的基因编辑技术,围绕Cas12,Cas13家族的专利申请,将为我国未来基因编辑技术产品落地和商业化推广提供更多选择和保障。

DNA编辑是对遗传信息永久的改变,因此DNA编辑必须既安全又有效地进行。RNA编辑调控技术提供了修复突变的新方法,正逐渐成为基因编辑技术重要的组成部分,已经有一些已证明的非常优秀的RNA编辑调控技术,如SwiftTMLeaperTM RNA编辑技术等。


CRISPR/Cas系统的巨大应用前景

1 遗传性血液病

1.1 镰状细胞性贫血

镰状细胞病(SCD)是一种遗传性常染色体隐性疾病,目前没有明确的治疗方法,唯一可用于治疗镰状细胞病的方法是骨髓移植,只有两种药物(羟基脲和L-谷氨酰胺)可以减缓疾病的严重性。利用CRISPR-Cas9治疗镰状细胞病有两种方法,分别是:a、修复血红蛋白S的基因以形成标准型。b、用血红蛋白F替换血红蛋白S。

 

1.2 地中海贫血

β-地中海贫血是由于HBB基因发生突变,导致β-珠蛋白形成减少(+β)或不存在(β0),以及血红蛋白的α-和β-样珠蛋白链之间的不平衡,导致红细胞生成效率低下。β-地中海贫血类似于镰状细胞病,是一种遗传性常染色体隐性血液病。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术重新激活胎儿血红蛋白形成的治疗方法,目前正在进行治疗β-地中海贫血的临床试验。

 

2 遗传性肺部疾病

囊性纤维化和遗传性表面活性蛋白(SP)综合征是一种先天性遗传性肺部疾病。这种单基因肺部疾病是由SP基因突变引起的,会导致呼吸衰竭和死亡。利用CRISPR/Cas9元件以通过非同源末端连接(NHEJ)灭活突变SFTPCI73T表达。在SFTPCI73T突变小鼠模型中,已经使肺部发育和预期寿命提高了22.8%。

 

3 亨廷顿病

亨廷顿病是由于HTT基因中的多聚谷氨酰胺重复。CRISPR疗法的应用可导致HTT聚集物的成功消耗,并减少或减弱早期神经病理学。进一步深入研究发现,基于非等位基因特异性CRISPR的基因编辑有可能有效解决大脑中的继发性神经元毒性。使用相同的技术,其他此类神经退行性疾病也可以治愈。

 

4 杜氏肌营养不良(DMD)

DMD是一种罕见且复杂的性连锁疾病。大多数DMD患者表现为肌肉变性,伴有严重的肌肉无力、各种心脏或呼吸系统并发症,最终导致早期死亡。DMD是由肌营养不良蛋白基因突变引起的,突变的外显子23有提前终止密码子,通过基因编辑定点删除这个外显子,实现外显子跳跃,从而使得提前终止密码子无法发挥提前终止的作用,使得肌营养不良蛋白得以表达,从而恢复蛋白的功能。

 

5 癌症

除了针对遗传性疾病,CRISPR针对癌症也有巨大的潜力,其基础是修饰T细胞——能够杀死癌症的免疫细胞。工作方式如下:首先,通过遗传方法将提供T细胞的合成基因掺入,然后将CRISPR应用于去除以下三个基因:两个基因阻碍NY-ESO-1受体,另一个基因降低细胞的癌症杀伤能力。第三,最终产物被标记为NYCE T细胞,大量生长。最后是将上述物质注入患者体内。

 

6 青光眼

针对大病种疾病青光眼,目前没有治本的疗法,从机理上来说,眼压高一是生成了很多房水,二是管路堵塞了,房水排不出去。CRISPR技术通过递送一个RNA调控方式,使控制房水生成的关键基因下调,继而抑制房水的生产,达到降低眼压,治疗青光眼的目的。

 

7 HIV

针对病毒感染疾病,可以利用CRISPR-Cas9基因编辑系统,对B细胞的基因组进行改造,在免疫球蛋白基因位点引入一段基因,这段基因可以编码针对HIV的抗体模板;同时,以改造过的两种AAV为载体,分别搭载编码抗体的基因和编码CRISPR系统,将它们送入细胞。实现了在体内设计B细胞,并使这些细胞制造出所需的抗体。


基因编辑赛道公司如何构建竞争力

我们认为应该从底层技术、管线开发以及商业化三个维度来综合构建企业的竞争力。

(1)底层技术。众所周知的故事是国外因为Crispr/cas9系统在真核细胞中的应用专利争得不可开交。作为第一款Crispr真核细胞编辑工具,Crispr/cas9拥有很大的保护范围,目前在cas9上面的优化很难突破专利。当然,作为国外已经应用相对成熟的工具,对于国内公司进行产品技术验证,临床探索有积极的作用,但从中长远发展来看,发现拥有具有自主知识产权的编辑工具能够保证企业技术的自由实施,在商业化取得主动权,因此,底层技术是衡量基因编辑赛道竞争力的关键要素。

(2)管线开发。管线开发在除最重要的疗效因素外从两方面考量,一是速度,二是延伸。天下功夫唯快不破,特别对于一次治疗管终生的基因编辑疗法来说,获得产品开发的领先位置,对于获取病人提高市场占有率具有很重要的影响。对于新管线的开发,应当尽量选取差异化管线进行布局,同时,基因编辑正逐步从罕见病为主要适应症向以常见病适应症发展,大病种已成为基因编辑疗法变成常规疗法的必经之路。

(3)商业化。目前基因编辑药物最大的商业化挑战是其一次性治疗费用较高,一些企业计划通过分期支付来降低患者的一次性支出,一些则计划通过跟商保公司进行合作将疾病加入商保范围,一些则计划通过解决重大社会问题与政府、商保公司联合推出低价惠民保,我们这些都是有益的尝试,将很大程度上解决患者支付难问题。


国内基因编辑代表厂商

博雅辑因

博雅辑因成立于2015年,是一家专注基因编辑技术转化、处于临床阶段的生物医药企业,致力于研发针对难以根治的遗传病和癌症的创新疗法。公司建立了拥有自主知识产权的基因编辑、生物信息、高通量基因组编辑筛选三大科学卓越中心,和包括体外疗法造血干细胞平台、体外疗法通用型CAR-T平台、体内疗法RNA碱基编辑平台、靶向疗法高通量基因组编辑筛选平台在内的四大治疗平台。β-地中海贫血管线已进入I期临床。

 

邦耀生物

邦耀生物成立于2013年,致力于利用CRISPR/Cas9基因编辑技术来进行肿瘤和遗传疾病治疗的相关研究,并转化成为临床治疗方案,现已产生了一系列相关成果和专利,多个项目进入IND申报阶段。其中基因编辑治疗β-地中海贫血症、非病毒PD1定点整合CAR-T、以及UCART等项目已经取得优异临床效果。邦耀生物已搭建基因编辑技术创新平台、造血干细胞平台、非病毒定点整合CAR-T平台、通用型细胞平台、增强型T细胞平台五大具有自主知识产权的技术平台。

 

瑞风生物

瑞风生物成立于2019年,是中国领先的基因药物创新企业,以基因编辑技术为核心驱动,致力于革新性药物的诞生。瑞风生物是国际上最早应用基因编辑探索遗传疾病治疗的顶尖团队,并持续在血液科、眼科等疾病方向积累了开创性成果,在包括基因编辑工具创新、成药策略发现、新型动物模型构建、多层次药效和安全性评估等层面具备了高水平的技术积累,拥有体内和体外两大创新药物方向。目前在遗传病、复杂疾病和肿瘤领域等皆有管线布局,其中β-地中海贫血基因编辑疗法已经取得全球领先水平的临床疗效。


结语

基因编辑药物作为直接针对DNA和RNA的工具,有着根本性解决疾病问题的能力。随着基因层面基础研究工作的不断进展,我们可以在基因层面上找到更多疾病的发生机制及对应的治疗靶点,随着越来越多的临床的开展及数据的陆续公开,我们可以更好的评估基因编辑药物的长期疗效,我们相信,基因编辑药物未来一定会成为一种常见疗法,就如今天的小分子药及抗体药物。


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