《Cell》仅需编辑异常重复序列长短，就可能恢复多条染色体上沉默的基因

宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院(Perelman School of Medicine)的研究人员利用患者捐赠的细胞和脑组织进行的这项研究还表明，只需编辑异常重复模式的长度，就可以恢复多条染色体上沉默的基因。这项研究发表在《Cell》杂志上。

由资深作者Jennifer Phillips-Cremins博士，生物工程和遗传学副教授，宾夕法尼亚大学医学院表观遗传学研究所成员领导的一个团队调查了FXS，这是最常见的遗传性智力残疾形式，以增加对这种疾病潜在原因的理解。教科书模型将其归因于单个基因FMR1的沉默，以及FMR1编码的蛋白质脆性X信使核糖核蛋白(FMRP)的缺失。

人们普遍认为，FMRP的缺失会导致连接大脑神经元的突触严重失调，也会破坏基因在神经元核中的表达方式。FXS的主要模型是在敲除FMR1基因的转基因小鼠的研究基础上建立的。然而，小鼠模型缺少FXS的关键遗传驱动因素:一种称为“重复扩展”的突变，当两个或多个DNA字母序列的长重复变得不稳定且异常长(突变长度重复)时，就会发生这种突变。

对于FXS，这是出现在FMR1基因一端的三个字母序列cgg。正常版本的FMR1在重复道中有40个或更少的CGG三胞胎，而FXS患者将有200个或更多的三胞胎。这种异常触发了细胞的防御反应，使FMR1和FMRP沉默。由于重复序列难以设计，FXS的小动物模型缺乏重复束，因此可能无法证明重复DNA在FXS机制中的重要作用。

在他们的新研究中，研究小组使用了一系列先进的测序和成像技术，以及具有CGG重复扩增的人类细胞系和脑组织，发现了FXS中令人惊讶的基因组破坏新模式。研究人员发现，在FXS患者样本中，包括CGG重复序列在内的大量多染色体被标记为沉默的异染色质。这些异染色质“结构域”被称为重复扩展锚定接触异染色质的断裂信标。

裂缝聚集在一起，在细胞核中形成物理接触簇，使参与神经元突触连接的基因以及与皮肤和关节等结缔组织完整性相关的基因沉默。在临床FXS患者中观察到突触和结缔组织的破坏，因此识别破坏的能力有可能成为发现FMR1以外潜在重要的破坏基因的强大工具。

研究人员还通过使用CRISPR-Cas基因编辑技术将CGG扩增减少到不会引起FXS的长度，测试了重复是否与破坏直接相关。

该团队的实验表明，最初被BREACHes沉默的基因在FXS细胞中通过CRISPR缩短的CGG重复序列重新表达。

未来的FXS治疗可能会探索替代研究中发现的一些沉默基因的功能，而不仅仅是FMR1。然而，研究人员指出，一个更雄心勃勃的策略是在发育的特定时间内减少过长的CGG重复扩增，以防止或至少逆转异染色质沉默的影响。探索这种可能性需要仔细平衡重新激活重要基因的积极作用与异染色质在防止重复基因组不稳定方面的保护作用。

这些发现可能影响的其他疾病的例子包括亨廷顿氏病和肌萎缩性侧索硬化症(Lou Gehrig’s病)，它们是与FXS相同的更广泛的重复扩张疾病的成员，FXS被认为是由DNA中单个重复束的突变驱动的。

“当我们将CGG切成一个更短的长度称为预突变(100-190三联)时，我们观察到许多沉默的异染色质被逆转，多条染色体在空间上与FMR1断开，”Phillips-Cremins实验室的博士后研究人员Ken Chandradoss博士和Ravi Boya博士说。

Cremins实验室的博士生Thomas Malachowski说:“我们发现突变长度的CGG扩增对于维持裂口是必要的，这一发现的广泛影响是，重复工程本身可能被用作逆转多个关键基因的全基因组沉默的治疗方法，这些基因可能导致FXS的临床表现。”

“我们的研究结果对未来脆性X综合征的治疗策略有影响，并强调了导致基因组不稳定的潜在机制，这可能是其他疾病的基础，”该研究的第一作者之一、宾夕法尼亚大学医学院皮肤科临床住院医师Linda Zhou博士说。

Phillips-Cremins总结说:“我们的研究结果表明，未来可能会发现缺口，对其他基因组不稳定疾病的基因沉默产生更广泛的影响，包括某些癌症和其他重复扩增疾病。”

研究小组也在其他人类细胞模型中观察到了基因组不稳定的破坏，包括在癌症或实验室诱导的DNA断裂中发现的含有突变的细胞系。