患上必死絕癥后，夫妻倆轉(zhuǎn)行研究朊病毒，開發(fā)新型表觀基因編輯療法，登上頂刊Science

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來(lái)源：生物世界

2024-07-01

2024年6月28日，Sonia Vallabh、Eric Minikel?與?Whitehead 研究所的蛋白質(zhì)折疊專家?Jonathan Weissman 合作，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊?Science 上發(fā)表了題為：Brainwide silencing of prion protein by AAV-mediated delivery of an engineered compact epigenetic editor?的研究論文。該研究開發(fā)了一種名為CHARM的緊湊型表觀遺傳沉默器，通過腺相關(guān)病毒（AAV）載體進(jìn)行全身遞送，能夠有效關(guān)閉小鼠整個(gè)大腦中的朊病毒蛋白（PrP）的編碼基因，而不會(huì)改變DNA序列。CHARM代表了一種全新的、基于表觀遺傳干預(yù)的治療方式，可廣泛應(yīng)用于由不需要的蛋白質(zhì)的毒性積聚引起的一系列疾病。

2010年，Sonia Vallabh 目睹了自己52歲的母親患上了一種快速進(jìn)展、神秘且未確診的癡呆癥，并很快因此死亡，一年后，她得知自己的母親患上的是一種遺傳性朊病毒病——致命性家族性失眠。在接受基因檢測(cè)后，Sonia 得知自己同樣攜帶了PRNP^D178N致病基因突變，這意味著她自己也很可能也會(huì)患上這種朊病毒病，更重要的是，這種致命性疾病通常在50歲左右發(fā)病并很快導(dǎo)致死亡，且仍然無(wú)藥可醫(yī)。

Sonia Vallabh 畢業(yè)于哈佛大學(xué)法學(xué)院，此時(shí)正在從事法律與咨詢工作，而他的丈夫 Eric Minikel 正在麻省理工學(xué)院（MIT）進(jìn)行城市規(guī)劃與交通專業(yè)的碩士專業(yè)學(xué)習(xí)。不愿坐以待斃的他們，決定放棄當(dāng)前的工作和學(xué)業(yè)，從零開始學(xué)習(xí)生命科學(xué)，致力于尋找和開發(fā)出能夠阻止朊病毒病發(fā)生的方法。2015年，他們被哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院錄取讀博，2019年獲得生物醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。在讀博期間，他們發(fā)表了包括 Science Translational Medicine 、Nature 等在內(nèi)的多篇高水平研究論文。此后，他們?cè)贐road研究所建立了實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)預(yù)防朊病毒藥物研發(fā)項(xiàng)目。

2024年6月28日，Sonia Vallabh、Eric Minikel 與 Whitehead 研究所的蛋白質(zhì)折疊專家 Jonathan Weissman 合作，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：Brainwide silencing of prion protein by AAV-mediated delivery of an engineered compact epigenetic editor 的研究論文。

該研究開發(fā)了一種名為CHARM的緊湊型表觀遺傳沉默器，通過腺相關(guān)病毒（AAV）載體進(jìn)行全身遞送，能夠有效關(guān)閉小鼠整個(gè)大腦中的朊病毒蛋白（PrP）的編碼基因，而不會(huì)改變DNA序列。CHARM代表了一種全新的、基于表觀遺傳干預(yù)的治療方式，可廣泛應(yīng)用于由不需要的蛋白質(zhì)的毒性積聚引起的一系列疾病。

Brainwide silencing of prion protein by AAV-mediated delivery of an engineered compact epigenetic editor

早在17世紀(jì)，就有關(guān)于羊瘙癢癥的記載，以及眾所周知的“瘋牛病”、“僵尸鹿”，這些駭人聽聞的疾病都是由朊病毒（Prion）引起的。

在人類中，已發(fā)現(xiàn)了4種朊病毒病——庫(kù)魯病、克-雅氏病、GSS綜合征以及致死性家族性失眠癥。這些致命性神經(jīng)退行性疾病可自發(fā)出現(xiàn)，也可遺傳，甚至可通過傳播獲得（例如同類相食）。所有的朊病毒病均由一個(gè)單一的分子機(jī)制導(dǎo)致。即都是由PRNP基因編碼的朊病毒蛋白（PrP）的構(gòu)象從其固有折疊形式（PrP^C）到一種自我復(fù)制的錯(cuò)誤折疊形式（PrP^Sc）變化引起的，這種錯(cuò)誤折疊的朊病毒蛋白會(huì)引發(fā)毀滅性的神經(jīng)退行性疾病。

雖然目前朊病毒病沒有有效的治療方法，但研究表明，降低實(shí)驗(yàn)動(dòng)物大腦中的朊病毒蛋白水平可以阻止疾病進(jìn)展，并且具有最有化的副作用。此外，朊病毒蛋白（PrP）在哺乳動(dòng)物中是非必需的，因此，降低朊病毒蛋白在大腦中的表達(dá)水平是一種可行的治療策略。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種緊湊的、無(wú)蛋白酶組分的表觀基因編輯器，稱為CHARM——Coupled Histone tail for Autoinhibition Release of Methyltransferase（組蛋白尾部偶聯(lián)實(shí)現(xiàn)甲基轉(zhuǎn)移酶的自抑制釋放）。

通過將組蛋白H3尾部和非催化性Dnmt3l結(jié)構(gòu)域的直接融合，CHARM能夠招募并激活細(xì)胞內(nèi)源性表達(dá)的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，使靶基因甲基化。這一設(shè)計(jì)不僅可以極大地降低需要轉(zhuǎn)入基因的大小，還可以顯著降低細(xì)胞毒性。更重要的是，CHARM可以獨(dú)立于KRAB轉(zhuǎn)錄抑制域起作用，并與多種DNA結(jié)合方式兼容，包括CRISPR-Cas系統(tǒng)、轉(zhuǎn)錄激活因子和鋅指蛋白等。

CHARM

腺相關(guān)病毒（AAV）載體是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的首選遞送載體，具有安全性好、宿主細(xì)胞范圍廣和在體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間表達(dá)轉(zhuǎn)基因等優(yōu)點(diǎn)。

Jonathan Weissman 團(tuán)隊(duì)此前開發(fā)了基于CRISPR的表觀基因編輯器——CRISPRoff，通過向目標(biāo)基因添加甲基化，在不改變DNA的情況下實(shí)現(xiàn)，抑制基因表達(dá)出蛋白質(zhì)。研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，該編輯器能夠有效且穩(wěn)定地抑制朊病毒蛋白基因的表達(dá)。

然而，對(duì)于AAV載體來(lái)說(shuō)，CRISPRoff太大了，無(wú)法被單個(gè)腺相關(guān)病毒（AAV）載體容納，這主要是因?yàn)槠渲蠧as9占據(jù)了太大空間。

因此，研究團(tuán)隊(duì)開始設(shè)計(jì)一種新型表觀基因編輯器，其具有足夠小的尺寸，以便被單個(gè)AAV容納，從而高效進(jìn)入大腦并發(fā)揮作用。研究團(tuán)隊(duì)想到了比Cas9小得多的鋅指蛋白（ZFP），與Cas9一樣，鋅指蛋白可以作為引導(dǎo)蛋白，將編輯器引導(dǎo)到目標(biāo)基因位點(diǎn)，此外，鋅指蛋白在人類細(xì)胞中也很常見，這意味著其與來(lái)自細(xì)菌的Cas9蛋白相比，不太可能引發(fā)免疫反應(yīng)。

基于鋅指蛋白（ZFP）的CHARM具有十分緊湊的尺寸，可在單個(gè)AAV載體中容納多達(dá)三個(gè)DNA靶向元件，并為調(diào)控元件提供額外的空間，以賦予細(xì)胞類型特異性。

進(jìn)一步研究表明，當(dāng)與靶向朊病毒蛋白編碼基因的鋅指結(jié)構(gòu)域偶聯(lián)，并通過AAV遞送到小鼠大腦時(shí)，CHARM使朊病毒基因啟動(dòng)子甲基化，使得小鼠全腦神經(jīng)元朊病毒蛋白表達(dá)量降低80%，遠(yuǎn)超治療所需的最低限度（此前的研究表明，只要消除21%的朊病毒蛋白，就能有效改善癥狀）。

AAV遞送的CHARM在小鼠體內(nèi)沉默了PRNP基因表達(dá)，左圖為治療前，朊病毒蛋白表達(dá)呈陽(yáng)性（黃色），右圖為治療后，朊病毒蛋白表達(dá)呈陰性（紫色）

不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了自我沉默的CHARM，可以在沉默目標(biāo)基因后自主關(guān)閉自身表達(dá)。這種負(fù)反饋設(shè)計(jì)防止了CHARM的過度表達(dá)，以避免在非分裂神經(jīng)元中持續(xù)表達(dá)引起的潛在抗原性和脫靶活性。

自我沉默的CHARM

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)發(fā)表于 Science 的研究開發(fā)了一種全新的表觀基因編輯器——CHARM，可以在大腦中可編程地靶向甲基化DNA，從而有效且持久地沉默靶基因。CHARM緊湊的小尺寸首次實(shí)現(xiàn)AVV介導(dǎo)的表觀遺傳編輯器的遞送，其模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自我沉默策略，促進(jìn)了多重靶向，并增強(qiáng)了與其他遞送方式（例如LNP）的兼容性。

研究模式圖

研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究工作為治療朊病毒病以及與毒性蛋白聚集體積累相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病指明了新的方向。更通俗的說(shuō)，CHARM將代表用于治療干預(yù)和生物學(xué)發(fā)現(xiàn)的下一代表觀遺傳編輯器。

展望未來(lái)

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在對(duì)CHARM進(jìn)行微調(diào)，以使其更有效、更安全且更易于大規(guī)模生產(chǎn)，這對(duì)于臨床試驗(yàn)來(lái)說(shuō)是必要的。他們已經(jīng)將該表觀基因編輯器進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，其各個(gè)組分都可以被替換，未來(lái)的CHARM不必從頭開始編程。

從基礎(chǔ)研究到臨床試驗(yàn)的道路是漫長(zhǎng)而曲折的，CHARM在成為朊病毒病等疾病的可行治療選擇之前，還有很長(zhǎng)的路要走。但憑借強(qiáng)大的治療設(shè)計(jì)和有希望的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)有充分的理由對(duì)未來(lái)充滿希望。

研究團(tuán)隊(duì)表示，他們將繼續(xù)全力以赴地工作，以盡快將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于拯救患者的生命。畢竟，現(xiàn)在已經(jīng)40歲的 Sonia Vallabh ，留給她的時(shí)間不多了。

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