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An overview on the study of gene therapy of hemoglobin disorders

血红蛋白疾病基因治疗研究进展



全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第1期
2009年2月
Vol. 21, No. 1
Feb., 2009
文章编号 :1004-0374(2009)01-0067-05
血红蛋白疾病基因治疗研究进展
马海燕,张敬之*
(上海交通大学医学遗传研究所,上海交通大学附属儿童医院,上海200040)
摘 要:血红蛋白疾病是由于血红蛋白分子突变造成其结构或合成异常引起的一类疾病,分为血红蛋白
病和地中海贫血两大类。前者表现为血红蛋白分子的珠蛋白肽链结构异常,如镰刀状贫血;后者表现
为珠蛋白肽链合成速率的降低,如 β- 地中海贫血。本文主要以 β- 地中海贫血和镰刀状贫血为例,从DNA
水平、RNA 水平和基因调控及干细胞移植等方面介绍血红蛋白疾病基因治疗的研究进展,并结合生命科
学的最新发现,对该领域将来可能出现的新的治疗方法提出展望。
关键词:β- 地中海贫血;β- 珠蛋白基因;基因治疗
中图分类号:R556.7; R394  文献标识码:A
An overview on the study of gene therapy of hemoglobin disorders
MA Hai-yan, ZHANG Jing-zhi*
(Shanghai Institute of Medical Genetics, Shanghai Children’s Hospital ,
Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200040, China)
Abstract:Hemoglobin disorders are the diseases caused by mutations leading to structural or synthetic
abnormalities of hemoglobin. Conventionally, it is divided into two groups: hemoglobinopathy and thalassemia.
The former is categorized by globin structural abnormality, like sickle cell disease; while the latter is termed by
decrease or absence in globin chain synthesis, such as β-thalassemia. Taking the β-thalassemia and sickle cell
disease as examples, the progresses on the study of gene therapy of hemoglobin disorders is reviewed in this
article, including in-situ aberrant correction, normal RNA splicing restoring, gene regulation and hematopoietic
stem cell transplantation. Based on recent achievements in life sciences, some personal views of future direc-
tions are proposed herein also.
Key words:β-thalassemia; β-globin gene;gene therapy
收稿日期:2008-06-27;修回日期:2008-10-29
基金项目:国家自然科学基金(30571777); “973”项目
(2004CB518806)
*通讯作者:jzhang38@hotmail.com
血红蛋白疾病是由于血红蛋白分子合成异常引
起的一类疾病,分为血红蛋白病和地中海贫血两大
类。血红蛋白疾病在世界范围内广泛流行[ 1 ]。其
中,β-地中海贫血症(β-thalassemia, β-地贫)是一种
与血红蛋白(Hb)合成相关的最为常见的单基因遗传疾
病,广泛分布在世界各地。引起 β- 地贫的最直接
原因就是血红蛋白四聚体在生成过程中βHb(β血红
蛋白)合成受到抑制,αHb(α血红蛋白)因为没有足
够的 βHb 配对结合而相对过剩,非结合的 αHb 就会
以一种不稳定单体形式存在,易于被氧化并引起毒
性沉积,进而造成细胞膜受损、幼稚红细胞骨髓内
破坏、成熟红细胞僵硬、红细胞寿命明显缩短,最
终引起溶血性贫血。贫血又促使肠道吸收过多的
铁,使心、肝、脾、骨髓等组织中铁沉积,进
而造成心肌损害、肝功不全等,甚至造成患者心力
衰竭而死亡。目前,骨髓移植(BMT)是临床上唯一
可以根治β-地贫的方法,但是对患者来讲限制条件
太多而使其临床应用受限。而镰刀状贫血是由于β-
珠蛋白基因编码第6 个密码子的序列由GAG 突变成
G T G,使编码谷氨酸变为编码缬氨酸所致,本病
主要分布在非洲,也分布在地中海地区,是世界范
围内最严重的血红蛋白病。
6 8 生命科学 第21卷
基因治疗是指将外源基因或其他遗传物质转移
到患者某些细胞内,通过纠正遗传缺陷、表达治疗
性基因产物或灭活致病基因,或者是通过调节基因
表达的途径,对遗传病进行治疗,而使相应疾病得
以预防、减轻、代偿或纠正的方法。基因治疗对
于单基因突变引起的遗传病变尤为合适,而 β- 地
贫、镰刀状贫血的发生主要就是由于基因的点突变
所致,所以,应用基因治疗的手段治疗 β- 地贫、
镰刀状贫血成为学者研究的热点和良好的研究模型。
1 导入正常基因及 DNA 修正治疗
1.1 慢病毒载体介导的基因导入 β-地贫主要是由
于 β- 珠蛋白基因突变所致,因此,直接导入正常
的人珠蛋白基因进行基因补偿成为一种理论上可行
的方法,然而,在实际的研究过程中,由于缺乏
安全有效的携带外源基因的载体而使得这方面的研
究进展缓慢。2000年,May等[2]首次使用携带人的
β- 珠蛋白基因的慢病毒载体介导感染造血干细胞,
并有效地改善了β-地贫模型小鼠的贫血症状。此载
体的优点是:(1)载体能包含约8kb片段的β-珠蛋白
基因组及其上游调节元件,使β-珠蛋白基因能够高
效、稳定表达;(2)可以转染静止期细胞,并能稳
定表达,使慢病毒载体成为目前研究β-地贫基因治
疗的主要载体,最常用的慢病毒载体是以HIV-1 为
骨架。随后,其他的研究小组也相继证明了慢病毒
载体介导治疗 β- 地贫和其他血红蛋白疾病的疗效。
2001 年,Pawliuk 等[3]在镰刀状贫血模型小鼠中,
利用携带人的βA蛋白基因的慢病毒载体介导感染其
造血干细胞,使得 βA珠蛋白在其红系组织内得到较
高表达,有效地抑制了镰刀状血红蛋白的形成,从
而极大的改善了镰刀状贫血的症状。2007 年,Han
等[4]利用携带人 α- 珠蛋白基因的慢病毒载体介导,
对怀孕中期的 α地贫模型鼠进行宫内注射,出生后
代小鼠红系组织内人 α-珠蛋白的表达在出生3-4
个月后达到最高水平(鼠内 α- 珠蛋白总量的20%),
但是在 7 个月后表达水平明显降低(<5%)。因此,
利用慢病毒载体介导进行基因治疗,但治疗作用的
稳定性及安全性仍需要进一步研究。2007年,Li等[5]
构建了人类β-珠蛋白基因的转基因表达载体,通过
卵周隙显微注射的方法,成功地在β-地贫模型鼠中
导入了人类β-珠蛋白基因,并且通过小鼠繁育获得
了转基因小鼠的F1、F2代。通过RT-PCR、Western
Blotting和ELISA等方法进一步分析了外源基因在β-
地贫模型鼠内的整合情况,结果表明在转基因小鼠
体内能够合成人类正常的 β- 珠蛋白 mRNA 和蛋白
质,并在 F0、F 1、F 2 三代小鼠间保持稳定的水
平;转基因小鼠血液学指标和病理学变化也证实其
贫血症状得到了明显的改善。这为慢病毒载体介导
的基因治疗在个体水平的稳定性和有效性提供了依
据。
1.2  原位修复 针对β-珠蛋白的基因突变,除了
利用基因补偿的方法外,也可以利用基因置换的方
法进行原位修复的基因治疗。2003年,Gruenert等[6]
利用 SDF(small DNA fragment)对基因组DNA进行
位点特异的纠正,通过外源的SDF与体内同源序列
之间的置换,最终达到改变表型的目的。该小组针
对镰刀型贫血病的 H B B 单基因突变序列,利用
SFHR(small fragment homologous replacement)介导的
方法治疗,使得至少有 1% - 2% 的细胞得以纠正。
这为同样是单基因突变引起的β-地贫的基因治疗研
究提供了一条可行的途径。
锌指核酸酶(ZFN)由ZFP和cleavage domain组
成,ZFP 负责识别特异目的 DNA 序列;cleavage
domain 负责断裂DNA 双链。ZFN 设计时,需要在
目的基因的相反方向、间隔适当的距离设计两个不
同的ZFN,即Left ZFN 和 Right ZFN,形成二聚
体以诱导产生双链 DNA 的断裂(图 1)。
ZFN 是近年来基因治疗中研究的一个热点。它
是受自然存在的FokI核酸酶启发设计的杂合蛋白。
FokI 核酸酶是由非特异的DNA 结合domain 和 DNA
断裂domain组成,而ZFN是由能识别特异目的DNA
序列的锌指DNA 结合domain,与FokI 内源核酸酶
的断链domain 组成的杂合蛋白。它能识别特异的
DN A 序列,并将靶序列的双链断裂,断裂的双链
可以诱导同源重组介导的修复。这就为基因的矫正
治疗提供了可能[7]。2005 年,Urmov 等[8]在 Nature
上报道了通过设计位点特异的锌指核酸酶,与携带
内源基因的载体共转染K-562 细胞、原代T 淋巴细
胞等细胞系,验证了锌指核酸酶特异、定点、高
图1 锌指核酸酶与靶基因作用示意图[7]
6 9第1期 马海燕,等:血红蛋白疾病基因治疗研究进展
效地介导内源基因(IL2RγC)的基因矫正。2007年,
该研究小组又在CD34+ 细胞祖细胞、人的干细胞系
中,利用整合酶缺陷的慢病毒载体介导 ZFN- 外源
基因共转染细胞,结果表明外源基因在该细胞系及
干细胞分化的神经细胞中都能够稳定表达[9]。该研
究还发现在没有ZFN加入的对照组中,外源基因的
表达大大减少,这充分验证了锌指核酸酶介导定点
修复的高效性。我们尚未发现锌指核酸酶在地贫、
SCD 模型小鼠中做相关实验,但是该项研究结果同
样为地贫、镰刀状贫血的基因治疗提供一种新的方
法。
2 异常剪接的纠正治疗
2.1 反义 RNA 介导 反义 RNA 主要是指与 mRNA
互补的 RNA 分子。反义 RNA 与 mRN A 特异性的互
补结合抑制了该mRNA的翻译。最早是在E.coli 的
产肠杆菌素的Col E1质粒中发现的,许多实验证明
在真核生物中也存在反义RNA。通过人工合成反义
RNA 的基因,并将其导入细胞内转录成反义 RNA,
能抑制某特定基因的表达,阻断该基因的功能。
β-地贫除极少数是由于基因缺失引起以外,绝
大多数是由于 β- 珠蛋白基因不同类型的点突变所
致。这些点突变分别导致转录受阻,mRNA 前体剪
接加工错误,翻译失效,或合成不稳定的珠蛋白而
阻碍α-β二聚体的形成,使珠蛋白链不平衡等。β654
地贫是中国人特有的一种地贫疾病,它是由于 β珠
蛋白基因第二内含子第654位核苷酸的碱基C突变为
T 所致[1 ]。针对 β- 地贫的发病机制,1 9 9 3 年,
Dominski 和 Kole 等[10]采用反义核酸基因治疗的策
略,在非细胞系统中加入特异封闭pre-mRNA 异常
剪接位点的2-O- 甲基- 反义DNA,结果异常剪接
的 mRNA 减少而正常剪接的 mRNA 升高。这说明,
应用反义核酸技术对 β地贫进行调控基因治疗是可
行的。但是传统的反义核酸治疗导入的寡聚核酸不
稳定,容易被细胞内核酸酶降解,2-O- 甲基虽然
能给予一定的保护,但是其合成昂贵,并且需要持
续用药。针对这些问题,Zeng 等[11]和 Gong 等[12]
首次设计并构建了针对 β- 地贫中异常mRNA的反义
RNA的真核表达载体,通过阻断 β654 异常剪接、恢
复正常剪接的途径,达到了增加 β肽链的目的,并
在mRNA 和珠蛋白肽链合成的水平上,证实了所构
建的反义 RNA 表达载体在体外转录 / 体外剪接系
统、培养的 β654 重组 HeLa细胞和 β654 地贫患者红系
细胞之中,均显示出有效的纠正 β654 剪接缺陷的作
用。而且,该表达载体的稳定性、特异性也得到
了很好的验证。
2.2 干扰RNA 介导 RNAi 是通过siRNA 介导的特
异性高效抑制基因表达途径,由 siRNA 介导,经
Dice 酶识别并靶向切割同源性靶mRNA,在转录和
翻译水平特异性的抑制基因表达。RNAi 在基因功
能研究和基因药物应用中具有广泛的前景。
2002 年,Brummelkamp 等[13]首次使用小鼠H1
启动子构建了小发卡RNA(small hairpin RNA,
shRNA)表达载体pSUPER,并证实转染该载体可有
效、特异性地剔除哺乳动物细胞内目的基因的表
达,为利用 RNAi 技术进行基因治疗研究奠定了基
础。β 地贫的发生,是由于正常的 β 肽链合成受到
抑制,使得过多的 α 肽链无法与之结合,沉积在
细胞表面,导致氧化损伤和细胞凋亡,造成无效红
细胞生成。因此,α/β比例平衡关系与 β地贫的严
重程度相关联。除了增加正常 β 珠蛋白基因的表
达,减少 α链的合成也可以对地贫起到治疗作用。
因此,可以利用RNAi 技术来降低过剩的 α链,缓
解 β地贫的病理变化。2006年,Samakoglu等[14]通
过在镰刀状贫血患者的CD34+ 细胞中共表达shRNA
和 γ-珠蛋白降低了内源性 βs 的表达。2007年,Xie
等[15]成功的利用慢病毒载体在β地贫模型鼠中制备
了针对α-珠蛋白的shRNA(short hairpin RNA)转基
因小鼠(αi-Hbbth-4/Hbb+)、错误剪接的β-珠蛋白的反
义RNA(antiRNA)转基因小鼠(βa-Hbbth-4/Hbb+)以及αi-
shRNA、βα-antiRNA双阳的转基因小鼠(αiβa-Hbbth-4/
Hbb+),通过shRNA 减少过剩 α- 珠蛋白的生成、反
义RNA 增加正确剪接的 β- 珠蛋白,使得 α/β 肽链
的比例趋于正常,尤其是在双阳小鼠αiβa-Hbbth-4/
Hbb+ 中,α/β的比值接近于正常值。通过RT-PCR
技术检测,β- 地贫模型鼠中,转基因小鼠,尤其
是双阳小鼠体内,过剩的 α- 珠蛋白的 mRNA 量大
大降低,正常剪接的 β- 珠蛋白的 mRNA 量显著上
升。血液学、病理学等各方面的检测结果也证实,
转基因小鼠尤其是双阳小鼠在个体水平的贫血症状
得到了很大的改善。
2.3 核酶介导 与干扰RNA类似,核酶(ribozyme)
因其可以减少相应基因 mRNA 的量而成为抑制特定
基因表达的有效工具。核酶是一组可以与特异RNA
序列作用的、具有酶特性的 RNA 分子。特定设计
的核酶,可以抑制有害的病毒或细胞内 mRNA 的表
达,已经作成为一种有效地基因治疗方法[16,17]。已
有报道利用核酶治疗和β-地贫同属单基因突变遗传
病的镰刀型贫血病。Lan 等[18]在血细胞前体细胞
7 0 生命科学 第21卷
中,利用转入核酶,降解 βs- 珠蛋白 mRNA,特异
地抑制了 βs-珠蛋白基因的表达。Shen等[19]也利用
核酶在镰刀型贫血病的治疗中进行了探索,通过在
红细胞系中分别引入作用于α-珠蛋白序列特异位点
的核酶zb21A基因和针对 βs- 珠蛋白的多核酶基因,
减少了 α- 珠蛋白和 βs- 珠蛋白mRNA 水平,使得细
胞内的 γ- 珠蛋白 mRNA 与 βs- 珠蛋白 mRNA 的比例
明显上升。这种方法同样可以用于地中海贫血病的
治疗。
3 药物的调控治疗
药物的调控治疗主要是通过药物刺激或重新激
活 γ- 珠蛋白基因的表达,增加胎儿血红蛋白的合
成,改善 α 与非 α 珠蛋白链的合成失衡。对镰刀
状贫血而言,通过羟基脲(HU)激活 γ-珠蛋白基因的
表达,增加胎儿血红蛋白的合成,而胎儿血红蛋白
( H b F ) 可以减少镰刀型血红蛋白聚合的几率。
Rodgers等[20]用HU对10例镰刀状贫血的患者进行药
物跟踪治疗3 个月,发现患者体内HbF 的量有不同
程度的提高,最高能提高至原有水平的 10 倍,甚
至在 3 个月调查结束后,HbF 水平仍然不断升高。
通过检测氧饱和度发现,在含有HbF的细胞中,形
成细胞内聚合的趋势减少了33%,有效地改善了镰
刀状贫血的症状。另外,在对地中海贫血的治疗研
究中,Zeng等[21]发现两名患有中国人特有的 β654突
变的地贫的患者,在采用低浓度 HU 治疗后,极大
的促进了红细胞生成,各项血液学指标得到明显改
善,体内总的血红蛋白量提高,但是,患者体内
的HbF 并没有升高,这提示,HU 可能对 β- 珠蛋白
基因有调控作用,能增加β-珠蛋白肽链的合成。这
就为地中海贫血的药物治疗提供了新的理论依据。
除羟基脲外,临床上使用的治疗药物还有丁酸盐类
药物、促红细胞生成素、5- 氮胞苷等,但是由于
其大剂量使用具有毒副作用而限制了在临床上的使
用[22]。
4 干细胞移植治疗
地中海贫血为世界范围内的单基因遗传病,临
床上应用的输血治疗、螯合治疗及羟基脲等治疗方
法虽然可以改善患者的临床症状,提高患者的生命
质量,但是,始终无法根治地贫、消除治疗过程
出现的副作用。目前,造血干细胞移植是唯一能根
治血红蛋白病的治疗方法。最早利用造血干细胞成
功治疗血红蛋白病的报道,是1981年意大利对多达
1 000名患者进行的造血干细胞移植治疗。Yesilipek[23]
从 1998 年到2006年期间,对60 名 β- 地贫患者进
行了造血干细胞的移植治疗,结果发现,有 3 1 %
(14\45)形成稳定嵌合,转移后的成活率达到84.0%。
然而,HLA 配型相符的供体细胞的寻找、移植后的
免疫排斥反应等为造血干细胞的移植治疗设定了障
碍。
2005年,Chang等[24]从镰刀状贫血模型鼠中获
得胚胎干细胞(ES细胞),利用同源重组将其 βs突变
基因校正为 βA 正常基因,修复后的ES 细胞分化成
的造血细胞大多能合成正常珠蛋白和βs-珠蛋白。这
为避开干细胞移植存在的诸多障碍、利用人的ES细
胞治疗镰刀状贫血及地中海贫血等疾病提供了一条
途径。除此之外,2007 年底,Brambrink 等[25]、
Takahashi等[26]相继报道了利用反转录病毒载体将四
种转录因子导入人的成体纤维细胞,并成功诱导其
成为具有分化潜能的干细胞 - 诱导多功能干细胞
(iPS)。这在理论上为干细胞的治疗带来了希望。随
后,Hanna 等[27]将小鼠的皮肤成纤维细胞诱导成为
具有分化潜能的细胞后,将β-珠蛋白基因导入细胞
内,iPS 分化成血细胞前体细胞后导入原镰刀型贫
血模型小鼠受精卵内,研究结果表明,该方法治疗
后的小鼠,其血液学的各项指标有了明显的改善。
这提示,利用iPS方法进行自体修复、避免免疫排
斥反应,可能为单基因突变遗传病的基因治疗提供
新的途径。若结合锌指核酸酶介导的原位修复,在
该干细胞内引入可调性的自杀机制,或许能更大程
度地解决其有效性和安全性方面的问题,有关这方
面工作目前尚未见文献报道,但这将是个有前途的
方法,同样可以用于地贫、镰刀状贫血治疗。
5 问题与展望
地中海贫血和镰刀状细胞贫血是世界上首先被
阐明其遗传缺陷分子基础的疾病,同时珠蛋白基因
又是第一个被克隆和研究的基因。因此,20 多年
前当珠蛋白基因刚被克隆和测序时,人们就期待血
红蛋白疾病成为第一个通过体细胞基因治疗技术而
被治疗的遗传性疾病。然而,随后的研究表明珠蛋
白基因的时空表达控制过程极为复杂,另外,转移
的外源珠蛋白基因或抗镰刀血红蛋白的基因必须随
珠蛋白基因簇在个体发育不同阶段适时表达。然
而,目前我们对珠蛋白基因表达的时空调控机制并
不是完全清楚,因此,尽管经历近二十年的探索,
对血红蛋白疾病的基因治疗仍未取得令人满意的效
果,对血红蛋白疾病的基因治疗仍然存在不少困
7 1第1期 马海燕,等:血红蛋白疾病基因治疗研究进展
难,如转入的目的基因在体内的表达水平较低,在
对转入目的基因的个体的长期观察中,外源目的基
因的表达平均只有内源珠蛋白表达量的 3%;目的
基因在宿主基因组内整合的位置效应、载体沉默现
象,以及作为基因治疗重要工具的载体的包装容
量、安全性等都有待于提高[28]。不过,通过对地
中海贫血和镰刀状贫血基因治疗研究的不断实践,
研究者们达成了一点共识,就是必须对珠蛋白基因
调控系统有充分的了解,对外源基因的表达时机和
表达量能进行有效准确的调控后才有可能使体细胞
基因治疗获得成功[1]。
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