全基因组分析发现BACH2为胎儿血红蛋白激活新靶点

波士顿儿童医院（Boston Children's Hospital）和Broad研究所（Broad Institute）的研究人员在一项大规模全基因组荟萃分析中，发现了一条激活胎儿血红蛋白（fetal hemoglobin, HbF）表达的新型调控通路。该通路被命名为“BACH2-NRF2轴”，独立于已知的BCL11A转录调控因子——后者是已获批的镰状细胞病（sickle cell disease, SCD）细胞疗法Casgevy的靶点。这项研究为治疗开发提供了一个可及的新靶点，相关论文于今日发表在《自然》（Nature）杂志上，题为“Human genetics implicates a BACH2-NRF2 axis in fetal hemoglobin activation”。

研究背景

过去几十年来，研究人员一直将胎儿至成人血红蛋白的转换作为SCD和地中海贫血的潜在治疗途径。胎儿血红蛋白表达在出生后6-12个月内自然下降，被成人血红蛋白取代。大约20年前，由Swee-Lay Thein博士以及Vijay G. Sankaran博士和Stuart Orkin博士分别领导的团队，发现了BCL11A是该转换的关键调控因子。2023年12月，由Vertex和CRISPR Therapeutics赞助的基因编辑疗法Casgevy获批，为该策略提供了临床验证，并改变了众多SCD和地中海贫血患者的生活。

新发现

在这项《自然》报告中，Sankaran团队分析了来自欧洲、非洲和亚洲人群超过28,000名个体的全基因组关联研究（GWAS）数据。研究识别出12个基因组区域中的91个离散遗传关联。其中一个最强的信号——尽管弱于20年前的原始GWAS发现——突出了一个新型调控回路，即BACH2-NRF2轴，它直接调控γ-珠蛋白基因表达。

BACH2是一种已知的转录调控因子，Sankaran告诉GEN，此前并未怀疑其在HbF调控中发挥作用。Sankaran团队进行了研究，以精确定位导致GWAS信号的精确遗传变异。因果变异rs1010474-C降低了红系祖细胞中BACH2的表达。通过短发夹RNA敲低、碱基编辑或使用小分子抑制剂进行药理抑制来阻断BACH2的遗传和生化实验，导致γ-珠蛋白转录显著升高，并增加了含HbF红细胞的比例，同时未破坏正常红细胞生成。

机制解析

Sankaran团队进一步证明，BACH2在γ-珠蛋白启动子和基因座控制区（LCR）作为直接抑制因子发挥作用。在基线条件下，BACH2限制转录激活因子NRF2的染色质占据。但如果BACH2缺失或被抑制，NRF2结合能够扩展到γ-珠蛋白调控元件。BACH2缺失触发离散的核内NRF2焦点形成，这些焦点特异性共定位于γ-珠蛋白转录的活跃位点。

通过映射转录因子结合位点，团队在上游γ-珠蛋白启动子内识别出BACH2（−94至−106）和NRF2（−96至−105）的重叠共识基序。利用碱基编辑器，团队设计了单核苷酸替换来研究靶向点突变对基因表达的影响。启动子变异包括−98G>A、−99G>A和−104G>A——类似于治疗环境中可能考虑的变异——降低了BACH2结合亲和力，同时增强了NRF2结合，导致强烈的HbF表达。生化分析进一步证实了BACH2和NRF2结构域之间的直接蛋白质相互作用，表明BACH2与NRF2物理相互作用以减弱其转录活性。

平行通路

该研究还表明，BACH2-NRF2轴独立于BCL11A运作。BACH2-NRF2启动子基序夹在两个BCL11A结合位点之间。研究人员未发现BCL11A与BACH2或NRF2之间直接物理接触的证据。此外，同时耗竭BACH2和BCL11A导致γ-珠蛋白表达的叠加增加，表明多靶点遗传或药理治疗的潜力。

Sankaran告诉GEN，他对BACH2通路“完全独立于BCL11A抑制通路，并主要参与HbF激活”的发现感到兴奋。因此，除了像上海CorrectSequence Therapeutics等公司在BCL11A结合位点所做的工作外，“在[γ-珠蛋白]启动子上的组合编辑”也可能有益。

针对其工作的转化潜力，Sankaran及其同事强调，“高置信度的人类遗传证据的存在，比变异效应大小的绝对值更能预测临床成功。”这项报告自然提出了将BCL11A靶向策略与BACH2/NRF2调节相结合治疗SCD和β-地中海贫血的新途径。“已经有针对SCD的小分子在开发中，我们怀疑它们可能靶向BACH2，”Sankaran说。“我认为我们的发现为这一通路调节HbF的机制增添了清晰度。”

来源：GEN（英文原文，生物航编译，内容以原文为准）