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A terapia gênica que altera os genes da hemoglobina pode ser uma resposta para a cura da doença falciforme (DF) e da talassemia beta. Essas duas anemias comuns com risco de vida afligem milhões de pessoas em todo o mundo. Cientistas do St. Jude Children’s Research Hospital e do Broad Institute do MIT e Harvard usaram uma tecnologia de edição de genoma de última geração, edição de base de adenosina, para reiniciar a expressão da hemoglobina fetal em células de pacientes com SCD. A abordagem elevou a expressão da hemoglobina fetal a níveis mais altos, mais estáveis e mais uniformes do que outras tecnologias de edição do genoma que usam a nuclease CRISPR/Cas9 em células-tronco hematopoiéticas humanas. As conclusões foram publicadas hoje na Genética da Natureza.
A SCD e a talassemia beta são distúrbios sanguíneos que afetam milhões de pessoas; mutações no gene que codifica uma versão adulta da molécula de oxigênio, a hemoglobina, causam esses distúrbios. A restauração da expressão gênica de uma subunidade alternativa de hemoglobina ativa em um feto em desenvolvimento já demonstrou benefícios terapêuticos em pacientes com anemia falciforme e talassemia beta. Os pesquisadores queriam encontrar e otimizar a tecnologia genômica para editar o gene da hemoglobina fetal. Uma alteração instalada pela edição de base de adenosina foi particularmente potente para restaurar a expressão da hemoglobina fetal em glóbulos vermelhos pós-natais.
“Mostramos que os editores de base aumentam significativamente os níveis de hemoglobina fetal”, disse o principal autor correspondente, Jonathan Yen, Ph.D., diretor do grupo St. Jude Therapeutic Genome Engineering. “Agora, minha equipe de Engenharia do Genoma Terapêutico já está trabalhando duro, começando a otimizar a edição de base para levar essa tecnologia para a clínica.”
A hemoglobina é a chave
A hemoglobina adulta, expressa principalmente após o nascimento, contém quatro subunidades de proteínas – duas beta-globinas e duas alfa-globinas. Mutações no gene da beta-globina causam doença falciforme e beta-talassemia. Mas os humanos têm outro gene da subunidade da hemoglobina (gama-globina), que é expresso durante o desenvolvimento fetal em vez da beta-globina. A gama-globina se combina com a alfa-globina para formar a hemoglobina fetal. Normalmente, por volta do nascimento, a expressão da gama-globina é desativada e a beta-globina é ativada, passando da hemoglobina fetal para a adulta. As tecnologias de edição do genoma podem introduzir mutações que reativam o gene da gama-globina, aumentando assim a produção de hemoglobina fetal, que pode efetivamente substituir a produção de hemoglobina adulta defeituosa.
“Usamos um editor baseado para criar um novo local de ligação do fator de transcrição TAL1 que causa uma indução particularmente forte da hemoglobina fetal”, disse Yen. “A criação de um novo local de ligação do fator de transcrição requer uma alteração precisa do par de bases – algo que não pode ser feito usando CRISPR-Cas9 sem gerar subprodutos indesejados e outras consequências potenciais de quebras de fita dupla”.
“A gama-globina [fetal hemoglobin] gene é um bom alvo para edição de base porque há mutações muito precisas que podem reativar sua expressão para induzir a expressão após o nascimento, o que pode fornecer um poderoso tratamento ‘tamanho único’ para todas as mutações que causam SCD e beta-talassemia “, disse o co-autor Mitchell Weiss, MD, Ph.D., presidente do Departamento de Hematologia de St. Jude.
Assim, os cientistas querem restaurar a expressão da hemoglobina fetal porque é um tratamento mais universal para os principais distúrbios da hemoglobina do que corrigir a mutação SCD ou centenas de mutações que causam talassemia beta. O aumento da expressão da hemoglobina fetal tem o potencial de beneficiar terapeuticamente a maioria dos pacientes com anemia falciforme ou talassemia beta, independentemente de suas mutações causadoras. Os pesquisadores já mostraram prova de princípio com várias abordagens de edição do genoma, mas este estudo é o primeiro a comparar sistematicamente a eficácia dessas diferentes estratégias.
“Observamos atentamente os resultados individuais da sequência de DNA de nucleases e editores de base usados para fazer edições terapêuticas de genes de hemoglobina fetal. Como as nucleases geralmente geram misturas complexas e descontroladas de muitos resultados de sequência de DNA diferentes, caracterizamos como cada sequência editada por nuclease afeta o feto expressão de hemoglobina. Em seguida, fizemos o mesmo para os resultados de edição de base, que eram muito mais homogêneos”, disse o co-autor David Liu, Ph.D., Richard Merkin, professor do Broad Institute do MIT e Harvard, cujo laboratório inventou a edição de base em 2016.
O estudo descobriu que o uso de edição de base no local mais potente do promotor de gama-globina alcançou níveis de HbF 2 a 4 vezes maiores do que a edição de Cas9. Eles demonstraram ainda que essas edições básicas podem ser mantidas no enxerto de células-tronco sanguíneas de doadores saudáveis e pacientes com SCD, colocando-as em camundongos imunocomprometidos.
Abordando questões de segurança
“Em última análise, mostramos que nem todas as abordagens genéticas são iguais”, disse Yen. “Os editores básicos podem ser capazes de criar edições mais potentes e precisas do que outras tecnologias. Mas devemos fazer mais testes de segurança e otimização.”
Quando comparada quanto à segurança, a edição de base causou menos eventos genotóxicos, como ativação de p53 e grandes deleções. A edição de base era muito mais consistente em suas edições e produtos – uma propriedade de segurança altamente desejável para uma terapia clínica. Em contraste com o Cas9 convencional, que gera misturas descontroladas de mutações de inserção e deleção denominadas “indels”, a edição de base gera alterações precisas de nucleotídeos com poucos subprodutos indesejados.
“Em nossa comparação, encontramos problemas imprevistos com nucleases Cas9 convencionais”, disse Weiss. “Ficamos um tanto surpresos que nem todas as inserções ou deleções de Cas9 aumentaram a hemoglobina fetal na mesma medida, indicando o potencial para resultados biológicos heterogêneos com essa tecnologia”. O grupo descobriu que glóbulos vermelhos individuais derivados de células-tronco hematopoiéticas tratadas com o mesmo Cas9 produzem uma quantidade mais variável de hemoglobina fetal em comparação com células tratadas com edição de base. Assim, a edição de base produziu resultados mais potentes, confiáveis e consistentes, que são propriedades terapêuticas desejáveis.
Embora a edição de base tenha um bom desempenho, os pesquisadores ainda não determinaram sua segurança em pacientes. Notavelmente, a edição de base pode ter alguns riscos não apresentados pelo Cas9; por exemplo, alguns editores de base iniciais podem causar alterações indesejadas no DNA ou RNA genômico em locais fora do alvo. O grupo mostrou que essas mudanças são relativamente pequenas e não devem ser prejudiciais, mas estudos mais profundos são necessários para avaliar esses riscos completamente.
O futuro da terapêutica de edição genética
Ao longo do estudo, os cientistas compararam diretamente o desempenho das nucleases Cas9 em dois locais-alvo diferentes que induzem a produção de hemoglobina fetal de diferentes maneiras e edição de base. A edição de base usa um mecanismo de edição distinto que converte diretamente um par de bases de DNA em outro, em vez de cortar a dupla hélice de DNA em duas partes.
As abordagens da nuclease Cas9 criam misturas de deleções e inserções que prejudicam a expressão ou atividade de BCL11A, um conhecido repressor do gene gama-globina. Em contraste, a edição de base cria um novo motivo de ligação do fator de transcrição dentro do promotor de gama-globina. As abordagens da nuclease Cas9 e uma abordagem de edição de base diferente estão sendo testadas por meio de ensaios clínicos. São Judas está participando de alguns desses estudos.
“É muito importante testar e comparar diferentes abordagens de edição do genoma para tratar SCD e beta-talassemia porque as melhores não são conhecidas”, disse Weiss.
John Tisdale, MD, co-autor do estudo e chefe da Divisão de Terapêutica Celular e Molecular do Instituto Nacional do Coração, Pulmão e Sangue, concordou. “A ciência da edição de genes está se movendo rapidamente e agora podemos imaginar várias estratégias diferentes para combater a doença falciforme”, disse Tisdale. “Essas descobertas nos aproximam um pouco mais de nosso objetivo de curas amplamente disponíveis”.
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