血液是生命的源泉，是人體至關重要的運輸載體，缺少或病變都會導致致命后果。其中，鐮狀細胞病（SCD）是一種普遍的、危及生命的血液疾病，可歸因于β-血紅蛋白的遺傳突變。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術誘導胎兒血紅蛋白（HbF）的產(chǎn)生，能夠有效治療鐮狀細胞病，該療法（Casgevy療法）已獲得FDA批準上市，但該療法涉及對DNA的基因編輯，而且售價高達220萬美元。
我們能否開發(fā)出一種小分子誘導劑，來安全有效的誘導胎兒血紅蛋白（HbF）的產(chǎn)生呢？
2024年7月4日，國際制藥巨頭諾華公司的研究人員在 Science 期刊發(fā)表了題為：A molecular glue degrader of the WIZ transcription factor for fetal hemoglobin induction 的研究論文。
該研究開發(fā)了小分子藥物——dWIZ1和dWIZ2，它們是轉(zhuǎn)錄因子WIZ的分子膠降解物，用于治療鐮狀細胞病（SCD）。在人源化小鼠和食蟹猴中，WIZ的藥理學降解可以提高HbF的水平并具有良好耐受性。這項研究將促進創(chuàng)新藥的開發(fā)，為治療鐮狀細胞病的治療開辟了新的道路。
鐮狀細胞病及其治療策略
鐮狀細胞病（SCD）影響著全世界數(shù)以百萬計的人群，尤其是在資源有限的欠發(fā)達地區(qū)不成比例地發(fā)生。長期以來，開發(fā)一種全球可及的口服胎兒血紅蛋白（HbF）誘導劑一直是該領域的主要目標。
成人血紅蛋白（HbA）主要在出生后表達，其包含四個蛋白質(zhì)亞基——兩個β-珠蛋白和兩個α-珠蛋白。β-珠蛋白基因突變會導致鐮狀細胞病（SCD）和β-地中海貧血。
但人類還要另一種血紅蛋白亞基——γ-珠蛋白，它在胎兒發(fā)育期間表達，γ-珠蛋白與α-珠蛋白結(jié)合形成胎兒血紅蛋白（HbF）。正常情況下，人類在出生后，BCL11A轉(zhuǎn)錄因子會抑制γ-珠蛋白的表達，從胎兒血紅蛋白轉(zhuǎn)換為成人血紅蛋白。通過敲除BCL11A轉(zhuǎn)錄因子來重新啟動γ-珠蛋白表達，進而重新產(chǎn)生胎兒血紅蛋白（HbF），能夠替代有缺陷的成人血紅蛋白，并顯示出了顯著的治療益處。
在過去的十多年時間里，諾華公司已經(jīng)篩選了大約200萬種化合物，以尋找一種有前景的化合物用于臨床治療鐮狀細胞病（SCD）。近些年來，諾華公司也短暫地開發(fā)了基于CRISPR的基因編輯治療策略，類似于Vertex Pharmaceuticals和CRISPR Therapeutics合作開發(fā)的Casgevy療法。
Casgevy療法的作用機制
圖A：BCL11A是下調(diào)胎兒血紅蛋白表達的轉(zhuǎn)錄因子；圖B：Casgevy通過對BCL11A進行基因編輯，上調(diào)胎兒血紅蛋白（HbF）的表達
然而，盡管CRISPR基因編輯在臨床上取得了顯著的成功，但很明顯，這一治療策略操作復雜、價格昂貴（售價高達220萬美元），難以用于非洲以及其他欠發(fā)達地區(qū)的數(shù)百萬鐮狀細胞病患者。
論文第一作者、諾華生物醫(yī)學研究血液學副主任 Pamela Ting 博士表示，令人遺憾的是，基于CRISPR的基因編輯療法在大多數(shù)鐮狀細胞病患者中存在著巨大挑戰(zhàn)，這些患者生活在醫(yī)療服務不足的社區(qū)或中低收入國家。因此，安全、有效和全球可獲得的HbF誘導藥物仍然是一個十分重要且未被滿足的需求。
Casgevy療法提供了明確的臨床證據(jù)表明，上調(diào)HbF的策略是解決鐮狀細胞病主要癥狀的安全有效方法。因此，研究團隊將工作重點聚焦于開發(fā)一種安全有效的小分子藥物，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的方式來上調(diào)HbF的表達。
小分子藥物治療鐮狀細胞病
值得注意的是，蛋白靶向降解嵌合體（PROTAC）是一項新興的、十分有前景的蛋白質(zhì)降解技術。受其啟發(fā)，研究團隊團隊利用靶向Cereblon（CRBN）的分子膠化學文庫來探索HbF的再激活。CRBN是一種進化上保守的蛋白，同時也是PROTAC技術常用的E3泛素連接酶。
在這項最新研究中，為了鑒定誘導HbF的小分子藥物，研究團隊篩選了2814個CRBN相關小分子化合物的庫。研究團隊通過使用檢測紅細胞中HbF上調(diào)的細胞測定法，確定了數(shù)十種候選分子，其中一種化合物——化合物C，由于具有優(yōu)越的吸收、分布、代謝和排泄（ADME）特性，在進一步表征后被優(yōu)先考慮。
開發(fā)一種基于CRBN的HbF小分子誘導劑
化合物C增加了HbF陽性細胞的百分比，EC50為100nM，同時保留成紅細胞的增殖和分化。在質(zhì)譜實驗表明這種化學物質(zhì)靶向WIZ轉(zhuǎn)錄因子后，研究團隊將化合物C重新命名為dWIZ-1。
CRISPR基因敲除實驗和表型篩選研究有力證實，轉(zhuǎn)錄因子WIZ是一種以前未被識別的HbF表達抑制因子。dWIZ-1可以將WIZ募集到CRBN-泛素連接酶復合物中，以觸發(fā)靶向蛋白質(zhì)降解。此外，研究團隊還開發(fā)了另一種名為dWIZ-2的小分子藥物，其具有與dWIZ-1類似的功能。
WIZ作為HbF表達負調(diào)控因子的靶標鑒定和表征
在進一步的臨床前研究中，包括分子檢測、AlphaFold蛋白質(zhì)建模和X射線晶體學、小鼠和非人類靈長類動物模型，均證實了dWIZ-1和dWIZ-2可以促進WIZ降解，提高HbF的表達水平，并且具有良好的耐受性。
其中，最重要的臨床前數(shù)據(jù)是在3只食蟹猴身上使用dWIZ-2治療的結(jié)果，這項體內(nèi)研究對食蟹猴進行了28天的監(jiān)測。結(jié)果顯示，它們幾乎所有外周網(wǎng)狀細胞中γ-珠蛋白基因和HbF的產(chǎn)生都明顯上調(diào)，并且沒有細胞毒性的跡象。
dWIZ-2促進WIZ降解，提高HbF表達水平，并且具有良好的耐受性
不僅如此，研究團隊還發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄因子WIZ直接與β-珠蛋白基因簇位點結(jié)合的證據(jù)，這十分出乎意料，這也是第一次觀察到WIZ的這種作用，并且珠蛋白位點似乎對WIZ的功能缺失高度敏感。更令人驚訝的是，這一現(xiàn)象與BCL11A結(jié)合位點“不謀而合”，而BCL11A正是Casgevy療法中成功靶向的轉(zhuǎn)錄因子。
總的來說，這項發(fā)表于 Science 期刊的研究開發(fā)了兩種小分子藥物——dWIZ1和dWIZ2，可以將轉(zhuǎn)錄因子WIZ招募到CRBN形成三元復合物，促進WIZ的降解，進而上調(diào)胎兒血紅蛋白（HbF）的表達水平，用于治療鐮狀細胞?。⊿CD）。這項研究確立了WIZ降解作為一種全球可及的鐮狀細胞病的治療新策略。
最后，研究團隊表示，當前仍有一些有待解決的問題，包括特異性。作為一種轉(zhuǎn)錄因子，WIZ天然結(jié)合在基因組的多個位點上，β-珠蛋白基因簇只是其中之一。靶向WIZ的非特異性效應可能會導致紅細胞中數(shù)百個基因的表達變化。因此，需要對系統(tǒng)性WIZ降解的安全性進行嚴格評估，有待在人體進行進一步試驗。
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