In vivo adenine base editing rescues adrenoleukodystrophy in a humanized mouse model

Abstract

X-linked adrenoleukodystrophy (ALD) is an inherited neurometabolic disorder caused by mutations in ABCD1, which encodes the peroxisomal ABC transporter. The disease affects the brain, spinal cord, adrenal glands, and testes. In ALD patients, very long-chain fatty acids (VLCFAs) fail to enter the peroxisome and undergo subsequent β-oxidation, resulting in their accumulation in various tissues. It has not been tested whether in vivo precise mutation correction can be harnessed to ameliorate ALD. We first developed a humanized mouse model of ALD by inserting a human cDNA containing the pathogenic variant (ABCD1 c.1534G>A mutation) into the mouse Abcd1 locus. The humanized ALD model (hALD) showed increased levels of VLCFAs in several tissues. To correct the mutation, we tested both adenine base editing and prime editing and found that adenine base editing using NG-ABE8e(V106W) could correct the mutation in patient-derived fibroblasts at an efficiency of 7.4%. Adeno-associated virus (AAV)-mediated systemic delivery of the adenine base editor enabled robust correction of the pathogenic variant in the mouse brain (correction efficiency: ~5.5%), spinal cord (~5.1%), and adrenal gland (~2%), leading to a significant reduction in the plasma levels of C26:0/C22:0. This established humanized mouse model and the successful correction of the pathogenic variant serve as a significant step towards treating human ALD disease.

부신백질이영양증은 퍼옥시좀의 ABC 수송체를 코딩하는 ABCD1 유전자의 돌연변이로 인해 발생하는 유전성 신경대사 질환이다. 해당 질병의 임상 증상은 뇌, 척수, 부신, 그리고 정소에서 발생한다. 부신백질이영양증 환자들에서는 긴꼬리지방산이 퍼옥시좀 내부로 수송되지 못하고, 이에 따라 베타 산화 과정을 거치지 못하기 때문에, 체내의 다양한 조직들에 긴꼬리지방산이 축적된다. 한편, 생체내 돌연변이 교정이 부신백질이영양증의 치료에 이용될 수 있는지에 관해서는 연구가 진행된 바가 없다. 본 연구에서는 ABCD1 유전자의 병적인 돌연변이 (ABCD1 c.1534G>A 돌연변이)를 지닌 인간 cDNA를 마우스 Abcd1 유전자에 삽입함으로써 최초로 부신백질이영양증에 대한 인간화 마우스 모델을 개발하였다. 개발된 인간화 마우스 모델은 다양한 조직들에서 긴꼬리지방산이 축적되는 현상을 보였다. 돌연변이를 교정하기 위해서, 본 연구에서는 아데닌 염기교정기와 프라임 염기교정기를 실험하였고, 그 결과 NG-ABE8e(V106W)를 이용한 아데닌 염기 교정이 환자 유래 섬유아세포에서 7.4%의 효율로 돌연변이를 교정할 수 있음을 확인하였다. 아데노 연관 바이러스를 이용해서 마우스 모델에 아데닌 염기 교정기를 전신 전달한 결과, 뇌에서 최대 5.5%, 척수에서 최대 5.1%, 그리고 부신에서 최대 2% 등의 돌연변이 교정률을 확인하였고 이는 혈장 긴꼬리지방산 수치 (C26:0/C22:0)의 감소로 이어졌다. 본 연구에서 선보인 인간화 마우스 모델과 성공적인 돌연변이 교정은 인간 부신백질이영양증 치료법의 확립에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.