“表观基因组编辑器”治疗致命脑部疾病

一种小到可以送到大脑的分子编辑工具可以关闭导致朊病毒疾病的蛋白质的产生，朊病毒是一种罕见但致命的神经退行性疾病。

该系统被称为甲基转移酶自抑制释放偶联组蛋白尾部(CHARM)，它改变了“表观基因组”，即附着在DNA上并影响基因活性的化学标签的集合。在小鼠身上，CHARM在不改变基因序列的情况下，使大脑中大多数神经元中产生致病蛋白质的基因沉默。

费城宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的生物工程师Madelynn Whittaker说，这个系统是朝着开发一种安全有效的“一次性”治疗方法迈出的第一步，它可以降低导致朊病毒疾病的有害蛋白质的水平。研究结果发表在今天的《Science》杂志上。

Whittaker说:“这个系统解决了以前的表观遗传编辑系统面临的重大挑战。”Whittaker是《Science》杂志上一篇观点文章的合著者。她补充说，挑战包括降低编辑工具的毒性，并在不损害其效力的情况下将它们输送到细胞中。

朊病毒疾病是由错误折叠的朊病毒蛋白(PrPs)引起的，它们聚集在一起并破坏神经元。这可能导致致命的家族性失眠症——一种罕见的遗传性疾病，使人们无法入睡并导致死亡。虽然朊病毒疾病是无法治愈的，但反义寡核苷酸(ASOs)药物已经显示出一些希望。这些短的单链分子与有缺陷的信使RNA序列结合，促进或减少蛋白质表达。先前对PrP错误折叠版本感染小鼠的研究表明，ASOs降低了这些蛋白质的表达并延长了寿命。但Whittaker说，这些药物需要多次注射才能产生长期的治疗效果，并可能导致副作用，比如肝损伤。

2021年，剑桥麻省理工学院的生物化学家Jonathan Weissman和他的同事们开发了CRISPRoff——一种编辑工具，可以在DNA链上添加一种称为甲基的化学标签，从而在不改变基因组的情况下降低基因活性。但是这种工具不能被运送到脑细胞中，因为它的遗传成分太大，无法装入腺相关病毒(AAV)——一种在细胞内运送基因疗法的常见载体。韦斯曼说:“真正的挑战是交付。

为了解决这个问题，韦斯曼和他的同事们开发了CHARM，它使用一种叫做锌指蛋白的分子来引导自己找到目标基因。这些蛋白质足够小，可以在AAV载体中传递。

研究人员对CHARM进行了微调，以招募和激活DNA甲基转移酶的组成部分。甲基转移酶是细胞内发现的一种分子，可以向DNA添加甲基，从而改变基因表达。这减少了与添加细胞外分子相关的毒性作用。“我们在细胞中唯一改变的是它表达朊病毒蛋白的能力，”Whittaker说。

当研究人员将CHARM注入健康小鼠的大脑时，他们发现它使整个大脑中PrP的表达减少了80%以上——远远超过了产生治疗效果所需的最低水平。韦斯曼和他的团队还设计了CHARM，使其在完成基因沉默工作后关闭自身，从而防止其复制自身，从而导致有害的脱靶效应。

CHARM背后的团队包括Sonia Vallabh和她的丈夫Eric Vallabh Minikel。索尼娅是麻省理工学院布罗德研究所和剑桥哈佛大学的朊病毒科学家，她遗传了导致致命性家族性失眠症的突变。12年前，Vallabh和Minikel转行研究致命性家族性失眠症的治疗方法。Vallabh说CHARM带给她“极大的乐观”。她补充说，药物开发通常是缓慢的，但这项工作表明，有了合适的团队，新方法可以多快地开发出来。

Weissman补充说，CHARM还具有治疗其他由异常蛋白质积聚引起的疾病的潜力，例如帕金森病和阿尔茨海默病。他说:“我们知道，表观遗传沉默并不是对每个基因都有效，但对大多数基因都有效。”

Jacob Goell是德克萨斯州休斯顿莱斯大学(Rice University)研究表观基因组编辑工具的研究人员，他乐观地认为CHARM有一天会应用于临床。但他补充说，需要更广泛的工作来评估这种工具及其产生的变化如何与细胞的遗传机制相互作用，特别是在更长的时间内。

下一步是研究CHARM如何在针对人脑神经元的AAV载体中发挥作用。“这是下一个重大挑战，”他说。