患上必死絕癥后，夫妻倆轉行研究朊病毒，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 研究所的蛋白質折疊專家?Jonathan Weissman 合作，在國際頂尖學術期刊?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，通過腺相關病毒（AAV）載體進行全身遞送，能夠有效關閉小鼠整個大腦中的朊病毒蛋白（PrP）的編碼基因，而不會改變DNA序列。CHARM代表了一種全新的、基于表觀遺傳干預的治療方式，可廣泛應用于由不需要的蛋白質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)病并很快導致死亡，且仍然無藥可醫(yī)。

Sonia Vallabh 畢業(yè)于哈佛大學法學院，此時正在從事法律與咨詢工作，而他的丈夫 Eric Minikel 正在麻省理工學院（MIT）進行城市規(guī)劃與交通專業(yè)的碩士專業(yè)學習。不愿坐以待斃的他們，決定放棄當前的工作和學業(yè)，從零開始學習生命科學，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，他們被哈佛大學醫(yī)學院錄取讀博，2019年獲得生物醫(yī)學博士學位。在讀博期間，他們發(fā)表了包括 Science Translational Medicine 、Nature 等在內的多篇高水平研究論文。此后，他們在Broad研究所建立了實驗室，負責預防朊病毒藥物研發(fā)項目。

2024年6月28日，Sonia Vallabh、Eric Minikel 與 Whitehead 研究所的蛋白質折疊專家 Jonathan Weissman 合作，在國際頂尖學術期刊 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，通過腺相關病毒（AAV）載體進行全身遞送，能夠有效關閉小鼠整個大腦中的朊病毒蛋白（PrP）的編碼基因，而不會改變DNA序列。CHARM代表了一種全新的、基于表觀遺傳干預的治療方式，可廣泛應用于由不需要的蛋白質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，就有關于羊瘙癢癥的記載，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)現了4種朊病毒病——庫魯病、克-雅氏病、GSS綜合征以及致死性家族性失眠癥。這些致命性神經退行性疾病可自發(fā)出現，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單一的分子機制導致。即都是由PRNP基因編碼的朊病毒蛋白（PrP）的構象從其固有折疊形式（PrP^C）到一種自我復制的錯誤折疊形式（PrP^Sc）變化引起的，這種錯誤折疊的朊病毒蛋白會引發(fā)毀滅性的神經退行性疾病。

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

在這項最新研究中，研究團隊設計了一種緊湊的、無蛋白酶組分的表觀基因編輯器，稱為CHARM——Coupled Histone tail for Autoinhibition Release of Methyltransferase（組蛋白尾部偶聯實現甲基轉移酶的自抑制釋放）。

通過將組蛋白H3尾部和非催化性Dnmt3l結構域的直接融合，CHARM能夠招募并激活細胞內源性表達的DNA甲基轉移酶，使靶基因甲基化。這一設計不僅可以極大地降低需要轉入基因的大小，還可以顯著降低細胞毒性。更重要的是，CHARM可以獨立于KRAB轉錄抑制域起作用，并與多種DNA結合方式兼容，包括CRISPR-Cas系統(tǒng)、轉錄激活因子和鋅指蛋白等。

CHARM

腺相關病毒（AAV）載體是中樞神經系統(tǒng)的首選遞送載體，具有安全性好、宿主細胞范圍廣和在體內長時間表達轉基因等優(yōu)點。

Jonathan Weissman 團隊此前開發(fā)了基于CRISPR的表觀基因編輯器——CRISPRoff，通過向目標基因添加甲基化，在不改變DNA的情況下實現，抑制基因表達出蛋白質。研究團隊證實，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。

然而，對于AAV載體來說，CRISPRoff太大了，無法被單個腺相關病毒（AAV）載體容納，這主要是因為其中Cas9占據了太大空間。

因此，研究團隊開始設計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AAV容納，從而高效進入大腦并發(fā)揮作用。研究團隊想到了比Cas9小得多的鋅指蛋白（ZFP），與Cas9一樣，鋅指蛋白可以作為引導蛋白，將編輯器引導到目標基因位點，此外，鋅指蛋白在人類細胞中也很常見，這意味著其與來自細菌的Cas9蛋白相比，不太可能引發(fā)免疫反應。

基于鋅指蛋白（ZFP）的CHARM具有十分緊湊的尺寸，可在單個AAV載體中容納多達三個DNA靶向元件，并為調控元件提供額外的空間，以賦予細胞類型特異性。

進一步研究表明，當與靶向朊病毒蛋白編碼基因的鋅指結構域偶聯，并通過AAV遞送到小鼠大腦時，CHARM使朊病毒基因啟動子甲基化，使得小鼠全腦神經元朊病毒蛋白表達量降低80%，遠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在小鼠體內沉默了PRNP基因表達，左圖為治療前，朊病毒蛋白表達呈陽性（黃色），右圖為治療后，朊病毒蛋白表達呈陰性（紫色）

不僅如此，研究團隊還開發(fā)了自我沉默的CHARM，可以在沉默目標基因后自主關閉自身表達。這種負反饋設計防止了CHARM的過度表達，以避免在非分裂神經元中持續(xù)表達引起的潛在抗原性和脫靶活性。

自我沉默的CHARM

總的來說，這項發(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現AVV介導的表觀遺傳編輯器的遞送，其模塊化設計實現了自我沉默策略，促進了多重靶向，并增強了與其他遞送方式（例如LNP）的兼容性。