Nat Genetics | 程勇等从单碱基水平上揭示胎儿血红蛋白调控元件，为治愈β-血红蛋白病提供新靶点

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“遗传变异与人类健康的相关程度如何？”是全世界公认最前沿的科学问题之一。单核苷酸变异（～60%）是人类疾病遗传变异的主要类型，因此单核苷酸变异如何调控人类基因表达和疾病发生是目前亟需回答的核心问题。基因组学研究显示人类基因组由1%基因编码区和99%非编码区构成，已知超过90%以上的人类遗传变异位于基因组非编码区 【1】 。基因组非编码区对基因转录调控功能涉及顺式调控元件和反式作用因子两个方面。顺式调控元件如增强子、启动子、沉默子和绝缘子等，通过与反式作用因子相互作用，在特定的时间和空间实现真核生物基因表达的精密调控，进而决定不同细胞命运 【2】 。

随着二代测序技术和基因编辑技术的不断发展，至今已有不同的生物学手段用于非编码基因组的功能研究。基因编辑技术以CRISPR/Cas9的可操作性强，通量高而被广泛应用于功能基因组学研究，包括经典的CRISPR/Cas9，CRISPRi（CRISPR inhibition）和 CRISPRa（CRISPR activation）【3-6】。经典CRISPR/Cas9容易产生不同长度DNA序列的插入或缺失，CRISPRi和CRISPRa又会引起DNA大片段改变的效应，这些技术手段对单核苷酸变异不能实现高分辨率精准覆盖。单碱基编辑器（Base editor）是CRISPR/Cas9衍生出来的新型基因编辑技术，可以在不切断DNA双链的情况下实现单核苷酸的转换。ABE（Adenine Base Editor）将A·T碱基对转换为G·C碱基对；CBE（Cytosine Base Editor）将C·G碱基对转换为T·A碱基对【7,8】。从单核苷酸水平系统解析非编码基因组的生物学功能是单碱基编辑技术的新应用，国际上未见报道。

2021年5月6日，美国圣裘德儿童研究医院Yong Cheng（程勇）团队联合Mitchell J. Weiss 团队在Nature Genetics杂志在线发表题为Single-nucleotide-level mapping of DNA regulatory elements that control fetal hemoglobin expression 的研究论文，从单碱基水平揭示了调控胎儿血红蛋白的基因表达调控模式。

研究人员首次建立了基于单碱基编辑器的高通量遗传筛选策略，对四个基因座BCL11A, MYB, KLF1 和 β-globin cluster 的非编码区进行了单碱基水平系统筛选，鉴定了10156 个单核苷酸碱基转换对胎儿血红蛋白表达水平的调控作用。该筛选策略不仅验证了已知的胎儿血红蛋白的顺式调控元件，而且发现了多个新治疗靶点。紧接着，研究人员根据高通量遗传筛选数据和红细胞表观遗传组学整合分析策略开发出一种可以预测单核苷酸变异生物学效应的数学算法，并将该算法成功应用到454 例镰刀形细胞贫血症病人全基因组测序数据的功能性单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）位点预测。最后研究人员针对新发现的一个位于HBG1 下游增强子的单碱基位点进行功能和分子机制验证，发现单碱基转换可以显著升高胎儿血红蛋白并降低病人来源镰刀形红细胞的数目，显示该技术方法可用于鉴定β-血红蛋白病治疗新靶点。

本研究为国际上首次在单碱基水平系统研究调控胎儿血红蛋白的非编码区顺式调控元件的功能，为研究人类疾病相关遗传变异的生物学功能提供了范式和技术方法；本研究系统筛选出多个具有治疗前景的新靶点，对于镰刀形细胞贫血和β-地中海贫血的治疗具有重要的指导意义和临床转化价值。

圣裘德儿童研究医院教授Yong Cheng（程勇）和Mitchell J. Weiss为本文共同通讯作者。圣裘德儿童研究医院程丽博士和李义超博士为本文的共同第一作者。Yong Cheng和Mitchell J. Weiss团队参与共同研究。

原文链接：

https://dx.doi.org/10.1038/s41588-021-00861-8

制版人：十一

参考文献

1. Chatterjee, S. & Ahituv, N. Gene Regulatory Elements, Major Drivers of Human Disease. Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 18, 45–63 (2017).

2. Schoenfelder, S. & Fraser, P. Long-range enhancer–promoter contacts in gene expression control. Nat. Rev. Genet. 20, 437–455 (2019).

3. Bauer, D. E. et al. An Erythroid Enhancer of BCL11A Subject to Genetic Variation Determines Fetal Hemoglobin Level. Science (80-. ). 342, 253–257 (2013).

4. Canver, M. C. et al. Variant-aware saturating mutagenesis using multiple Cas9 nucleases identifies regulatory elements at trait-associated loci. Nat. Genet. 49, 625–634 (2017).

5. Diao, Y. et al. A tiling-deletion-based genetic screen for cis-regulatory element identification in mammalian cells. Nat. Methods 14, 629–635 (2017).

6. Diao, Y. et al. A new class of temporarily phenotypic enhancers identified by CRISPR/Cas9-mediated genetic screening. Genome Res. 26, 397–405 (2016).

7. Komor, A. C., Badran, A. H. & Liu, D. R. CRISPR-Based Technologies for the Manipulation of Eukaryotic Genomes. Cell 168, 20–36 (2017).

8. Gaudelli, N. M. et al. Programmable base editing of A•T to G•C in genomic DNA without DNA cleavage. Nature 551, 464–471 (2017).

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