Science：一种新的基因沉默工具

药物开发通常是缓慢的:从为新药提供基础的基础研究发现，到临床试验，再到生产一种广泛可用的药物，这一过程可能需要几十年的时间。但对于目前患有致命疾病的人来说，几十年可能遥不可及。布罗德研究所高级小组组长Sonia Vallabh敏锐地意识到与时间的赛跑，因为她的研究主题是一种神经退行性、最终致命的疾病——致命性家族性失眠症，这是一种朊病毒疾病——随着年龄的增长，她几乎肯定会患上这种疾病。Vallabh和她的丈夫Eric Minikel在得知Vallabh携带了一种致病的朊病毒蛋白基因，并且对致命的朊病毒疾病没有有效的治疗方法后，改变了职业，成为了研究人员。现在，两人在布罗德研究所(Broad Institute)经营着一个实验室，致力于开发能够预防和治疗这些疾病的药物，他们成功的最后期限不是基于资助周期或学术期望，而是基于Vallabh基因密码中的定时炸弹。

这就是为什么Vallabh兴奋地发现，当她与怀特黑德研究所成员Jonathan Weissman合作时，Weissman的团队喜欢全力以赴地工作。在不到两年的时间里，Weissman, Vallabh和他们的合作者开发了一套叫做CHARMs的分子工具，可以关闭诸如朊蛋白基因之类的致病基因，也可能关闭与神经退行性疾病和其他疾病有关的许多其他蛋白质的编码基因。他们正在改进这些工具，使其成为用于人类患者的良好候选工具。尽管在研究人员知道这些工具是否可以作为治疗方法之前，还有许多障碍要克服，但该团队对迄今为止他们开发这项技术的速度感到鼓舞。

Vallabh说:“从一开始，合作的精神就是不等待形式。”“当我们意识到我们都很想做这件事时，一切都开始了。”

共同通讯作者Weissman和Vallabh以及Weissman实验室的研究生Edwin Neumann和Weissman实验室的博士后Tessa Bertozzi在6月27日发表在《科学》杂志上的一篇论文中描述了CHARMs(Coupled Histone tail for Autoinhibition Release of Methyltransferase)。

“怀特黑德研究所和布罗德研究所毗邻而居，我认为没有比这里更适合一群积极进取的人在追求学术科学和医疗技术方面快速灵活地行动的地方了，CHARMs是沉默疾病基因问题的优雅解决方案，它们有可能在未来的基因药物中占有重要地位。”

要治疗遗传性疾病，就要以基因为目标

朊病毒疾病是由朊病毒蛋白的畸形变体引起的，它会导致神经迅速退化和死亡。这在大脑中引起了级联效应:有缺陷的朊病毒蛋白质使其他蛋白质变形，这些蛋白质不仅停止正常工作，而且还形成有毒的聚集体，杀死神经元。最著名的朊病毒疾病，俗称疯牛病，具有传染性，但其他形式的朊病毒疾病可以自发发生或由有缺陷的朊病毒蛋白基因引起。

大多数传统药物都是针对蛋白质起作用的。然而，CHARMs在上游发挥作用，关闭编码有缺陷蛋白质的基因，使蛋白质从一开始就无法生成。CHARMs通过表观遗传编辑来实现这一点，在DNA中添加化学标签，以关闭或沉默目标基因。与基因编辑不同，表观遗传编辑不会改变潜在的dna——基因本身保持完整。然而，与基因编辑一样，表观遗传编辑是稳定的，这意味着被CHARM关闭的基因应该保持关闭状态。这意味着患者只需要服用一次CHARM，而不需要定期服用靶向蛋白质的药物，因为后者必须随着细胞蛋白质水平的补充而定期服用。

对动物的研究表明，对于健康的成年人来说，朊病毒蛋白是不必要的，在患病的情况下，去除这种蛋白质可以改善甚至消除疾病症状。对于尚未出现症状的人来说，去除这种蛋白质应该可以完全预防疾病。换句话说，表观遗传编辑可能是治疗遗传性朊病毒病等遗传疾病的有效方法。挑战在于创造一种新的治疗方法。

幸运的是，该团队有一个很好的CHARM模板:一种名为CRISPRoff的研究工具，Weissman团队此前为沉默基因开发了这种工具。CRISPRoff使用CRISPR基因编辑技术的构建模块，包括引导工具到达目标基因的引导蛋白Cas9。CRISPRoff通过添加甲基来沉默目标基因，甲基是一种化学标签，可以阻止基因被转录或读取为RNA，从而阻止基因被表达为蛋白质。当研究人员测试CRISPRoff沉默朊蛋白基因的能力时，他们发现它是有效且稳定的。

然而，它的一些特性阻止了CRISPRoff成为一种良好的治疗候选者。研究人员的目标是创建一种基于CRISPRoff的工具，这种工具既有效，又安全，可以用于人类，体积小到足以输送到大脑，并且可以最大限度地降低沉默错误基因或引起副作用的风险。

从研究工具到候选药物

研究人员开始设计和应用他们的新表观基因组编辑器。他们必须解决的第一个问题是尺寸，因为编辑器需要足够小，以便打包并运送到体内的特定细胞中。将基因植入人脑是一项挑战;许多临床试验使用腺相关病毒(aav)作为基因传递载体，但这些病毒很小，只能包含少量的遗传密码。CRISPRoff太大了;仅Cas9的代码就占据了大部分可用空间。

研究人员决定用一种小得多的锌指蛋白(ZFP)取代Cas9。像Cas9一样，ZFPs可以作为引导蛋白，将工具引导到DNA中的目标位点。zfp在人类细胞中也很常见，这意味着它们比细菌Cas9更不可能引发针对自身的免疫反应。

接下来，研究人员必须设计工具中使朊病毒蛋白基因沉默的部分。首先，他们使用了甲基转移酶的一部分，这是一种将甲基添加到DNA上的分子，称为DNMT3A。然而，在工具所需的特殊结构中，分子对细胞是有毒的。研究人员专注于一种不同的解决方案:该工具能够将细胞自身的DNMT3A招募到朊病毒蛋白基因上，而不是将外部DNMT3A作为治疗的一部分。这释放了AAV载体内部的宝贵空间，并防止了毒性。

研究人员还需要激活DNMT3A。在细胞中，DNMT3A通常是不活跃的，直到它与某些伙伴分子相互作用。这种默认的不活动可以防止需要保持开启状态的基因意外甲基化。诺伊曼想出了一种巧妙的方法，将DNMT3A的伴侣分子结合起来，并将它们连接到ZFPs上，将它们带到朊病毒蛋白基因上。当细胞的DNMT3A遇到这些部分的组合时，它就会被激活，使基因沉默。

“从毒性和大小的角度来看，利用细胞已有的机制是有意义的;这是一个更简单、更优雅的解决方案，细胞一直在使用甲基转移酶，我们基本上只是欺骗它们关闭一个通常会打开的基因。”

在小鼠中进行的测试表明，zfp引导的CHARMs可以消除大脑中80%以上的朊病毒蛋白，而之前的研究表明，只需消除21%就可以改善症状。

一旦研究人员知道他们有一个有效的基因消声器，他们就转向了脱靶效应的问题。传递给细胞的“魅力”的遗传密码将无限地产生“魅力”的副本。然而，在朊病毒蛋白基因被关闭后，这并没有什么好处，只会增加副作用产生的时间，所以他们调整了这个工具，这样在它关闭朊病毒蛋白基因后，它就会自我关闭。

与此同时，布罗德研究所的科学家兼合作者本杰明·德弗曼(Benjamin Deverman)的实验室开展了一个补充项目，专注于全脑基因传递，并于5月17日发表在《科学》杂志上，该项目使CHARM技术离临床试验更近了一步。虽然自然产生的AAV类型以前曾被用于人类的基因治疗，但它们不能有效地进入成人大脑，因此不可能治疗像朊病毒病这样的全脑疾病。为了解决运送问题，Deverman的团队设计了一种AAV载体，通过利用自然将铁运送到大脑的途径，它可以更有效地进入大脑。像这样的工程载体使像CHARM这样的疗法更接近现实。

多亏了这些创造性的解决方案，研究人员现在有了一个非常有效的表观遗传编辑器，它足够小，可以传递到大脑中，并且在细胞培养和动物试验中显示出低毒性和有限的脱靶效应。

“能参与其中是我的荣幸;在如此短的时间内从基础研究到治疗应用是非常罕见的，”Bertozzi说。“我认为关键是形成合作，利用魏斯曼实验室的工具构建经验，Vallabh和Minikel实验室对疾病的深入了解，以及德弗曼实验室在基因传递方面的专业知识。”

展望未来

随着CHARM技术的主要元素得到解决，该团队现在正在微调他们的工具，使其更有效、更安全、更容易大规模生产，这将是临床试验所必需的。他们已经把这个工具模块化了，这样它的各个部分就可以互换，未来的charm就不必从头开始编程了。目前，人们还在老鼠身上测试CHARMs的治疗效果。

从基础研究到临床试验的道路是漫长而曲折的，研究人员知道，在成为朊病毒疾病(包括Vallabh)或其他具有类似遗传成分的疾病患者的可行医疗选择之前，CHARMs还有很长的路要走。然而，有了强大的治疗设计和有希望的实验室结果，研究人员有充分的理由充满希望。他们继续全速工作，致力于发展他们的技术，以便尽快挽救病人的生命，而不是在某一天。