藥物開發(fā)通常是緩慢的:從為新藥提供基礎的基礎研究發(fā)現(xiàn)，到臨床試驗，再到生產一種廣泛可用的藥物，這一過程可能需要幾十年的時間。但對于目前患有致命疾病的人來說，幾十年可能遙不可及。布羅德研究所高級小組組長Sonia Vallabh敏銳地意識到與時間的賽跑，因為她的研究主題是一種神經退行性、最終致命的疾病——致命性家族性失眠癥，這是一種朊病毒疾病——隨著年齡的增長，她幾乎肯定會患上這種疾病。Vallabh和她的丈夫Eric Minikel在得知Vallabh攜帶了一種致病的朊病毒蛋白基因，并且對致命的朊病毒疾病沒有有效的治療方法后，改變了職業(yè)，成為了研究人員。現(xiàn)在，兩人在布羅德研究所(Broad Institute)經營著一個實驗室，致力于開發(fā)能夠預防和治療這些疾病的藥物，他們成功的最后期限不是基于資助周期或學術期望，而是基于Vallabh基因密碼中的定時炸彈。
這就是為什么Vallabh興奮地發(fā)現(xiàn)，當她與懷特黑德研究所成員Jonathan Weissman合作時，Weissman的團隊喜歡全力以赴地工作。在不到兩年的時間里，Weissman, Vallabh和他們的合作者開發(fā)了一套叫做CHARMs的分子工具，可以關閉諸如朊蛋白基因之類的致病基因，也可能關閉與神經退行性疾病和其他疾病有關的許多其他蛋白質的編碼基因。他們正在改進這些工具，使其成為用于人類患者的良好候選工具。盡管在研究人員知道這些工具是否可以作為治療方法之前，還有許多障礙要克服，但該團隊對迄今為止他們開發(fā)這項技術的速度感到鼓舞。
Vallabh說:“從一開始，合作的精神就是不等待形式。”“當我們意識到我們都很想做這件事時，一切都開始了。”
共同通訊作者Weissman和Vallabh以及Weissman實驗室的研究生Edwin Neumann和Weissman實驗室的博士后Tessa Bertozzi在6月27日發(fā)表在《科學》雜志上的一篇論文中描述了CHARMs(Coupled Histone tail for Autoinhibition Release of Methyltransferase)。
“懷特黑德研究所和布羅德研究所毗鄰而居，我認為沒有比這里更適合一群積極進取的人在追求學術科學和醫(yī)療技術方面快速靈活地行動的地方了，CHARMs是沉默疾病基因問題的優(yōu)雅解決方案，它們有可能在未來的基因藥物中占有重要地位。”
要治療遺傳性疾病，就要以基因為目標
朊病毒疾病是由朊病毒蛋白的畸形變體引起的，它會導致神經迅速退化和死亡。這在大腦中引起了級聯(lián)效應:有缺陷的朊病毒蛋白質使其他蛋白質變形，這些蛋白質不僅停止正常工作，而且還形成有毒的聚集體，殺死神經元。最著名的朊病毒疾病，俗稱瘋牛病，具有傳染性，但其他形式的朊病毒疾病可以自發(fā)發(fā)生或由有缺陷的朊病毒蛋白基因引起。
大多數(shù)傳統(tǒng)藥物都是針對蛋白質起作用的。然而，CHARMs在上游發(fā)揮作用，關閉編碼有缺陷蛋白質的基因，使蛋白質從一開始就無法生成。CHARMs通過表觀遺傳編輯來實現(xiàn)這一點，在DNA中添加化學標簽，以關閉或沉默目標基因。與基因編輯不同，表觀遺傳編輯不會改變潛在的dna——基因本身保持完整。然而，與基因編輯一樣，表觀遺傳編輯是穩(wěn)定的，這意味著被CHARM關閉的基因應該保持關閉狀態(tài)。這意味著患者只需要服用一次CHARM，而不需要定期服用靶向蛋白質的藥物，因為后者必須隨著細胞蛋白質水平的補充而定期服用。
對動物的研究表明，對于健康的成年人來說，朊病毒蛋白是不必要的，在患病的情況下，去除這種蛋白質可以改善甚至消除疾病癥狀。對于尚未出現(xiàn)癥狀的人來說，去除這種蛋白質應該可以完全預防疾病。換句話說，表觀遺傳編輯可能是治療遺傳性朊病毒病等遺傳疾病的有效方法。挑戰(zhàn)在于創(chuàng)造一種新的治療方法。
幸運的是，該團隊有一個很好的CHARM模板:一種名為CRISPRoff的研究工具，Weissman團隊此前為沉默基因開發(fā)了這種工具。CRISPRoff使用CRISPR基因編輯技術的構建模塊，包括引導工具到達目標基因的引導蛋白Cas9。CRISPRoff通過添加甲基來沉默目標基因，甲基是一種化學標簽，可以阻止基因被轉錄或讀取為RNA，從而阻止基因被表達為蛋白質。當研究人員測試CRISPRoff沉默朊蛋白基因的能力時，他們發(fā)現(xiàn)它是有效且穩(wěn)定的。
然而，它的一些特性阻止了CRISPRoff成為一種良好的治療候選者。研究人員的目標是創(chuàng)建一種基于CRISPRoff的工具，這種工具既有效，又安全，可以用于人類，體積小到足以輸送到大腦，并且可以最大限度地降低沉默錯誤基因或引起副作用的風險。
從研究工具到候選藥物
研究人員開始設計和應用他們的新表觀基因組編輯器。他們必須解決的第一個問題是尺寸，因為編輯器需要足夠小，以便打包并運送到體內的特定細胞中。將基因植入人腦是一項挑戰(zhàn);許多臨床試驗使用腺相關病毒(aav)作為基因傳遞載體，但這些病毒很小，只能包含少量的遺傳密碼。CRISPRoff太大了;僅Cas9的代碼就占據了大部分可用空間。
研究人員決定用一種小得多的鋅指蛋白(ZFP)取代Cas9。像Cas9一樣，ZFPs可以作為引導蛋白，將工具引導到DNA中的目標位點。zfp在人類細胞中也很常見，這意味著它們比細菌Cas9更不可能引發(fā)針對自身的免疫反應。
接下來，研究人員必須設計工具中使朊病毒蛋白基因沉默的部分。首先，他們使用了甲基轉移酶的一部分，這是一種將甲基添加到DNA上的分子，稱為DNMT3A。然而，在工具所需的特殊結構中，分子對細胞是有毒的。研究人員專注于一種不同的解決方案:該工具能夠將細胞自身的DNMT3A招募到朊病毒蛋白基因上，而不是將外部DNMT3A作為治療的一部分。這釋放了AAV載體內部的寶貴空間，并防止了毒性。
研究人員還需要激活DNMT3A。在細胞中，DNMT3A通常是不活躍的，直到它與某些伙伴分子相互作用。這種默認的不活動可以防止需要保持開啟狀態(tài)的基因意外甲基化。諾伊曼想出了一種巧妙的方法，將DNMT3A的伴侶分子結合起來，并將它們連接到ZFPs上，將它們帶到朊病毒蛋白基因上。當細胞的DNMT3A遇到這些部分的組合時，它就會被激活，使基因沉默。
“從毒性和大小的角度來看，利用細胞已有的機制是有意義的;這是一個更簡單、更優(yōu)雅的解決方案，細胞一直在使用甲基轉移酶，我們基本上只是欺騙它們關閉一個通常會打開的基因。”
在小鼠中進行的測試表明，zfp引導的CHARMs可以消除大腦中80%以上的朊病毒蛋白，而之前的研究表明，只需消除21%就可以改善癥狀。
一旦研究人員知道他們有一個有效的基因消聲器，他們就轉向了脫靶效應的問題。傳遞給細胞的“魅力”的遺傳密碼將無限地產生“魅力”的副本。然而，在朊病毒蛋白基因被關閉后，這并沒有什么好處，只會增加副作用產生的時間，所以他們調整了這個工具，這樣在它關閉朊病毒蛋白基因后，它就會自我關閉。
與此同時，布羅德研究所的科學家兼合作者本杰明·德弗曼(Benjamin Deverman)的實驗室開展了一個補充項目，專注于全腦基因傳遞，并于5月17日發(fā)表在《科學》雜志上，該項目使CHARM技術離臨床試驗更近了一步。雖然自然產生的AAV類型以前曾被用于人類的基因治療，但它們不能有效地進入成人大腦，因此不可能治療像朊病毒病這樣的全腦疾病。為了解決運送問題，Deverman的團隊設計了一種AAV載體，通過利用自然將鐵運送到大腦的途徑，它可以更有效地進入大腦。像這樣的工程載體使像CHARM這樣的療法更接近現(xiàn)實。
多虧了這些創(chuàng)造性的解決方案，研究人員現(xiàn)在有了一個非常有效的表觀遺傳編輯器，它足夠小，可以傳遞到大腦中，并且在細胞培養(yǎng)和動物試驗中顯示出低毒性和有限的脫靶效應。
“能參與其中是我的榮幸;在如此短的時間內從基礎研究到治療應用是非常罕見的，”Bertozzi說。“我認為關鍵是形成合作，利用魏斯曼實驗室的工具構建經驗，Vallabh和Minikel實驗室對疾病的深入了解，以及德弗曼實驗室在基因傳遞方面的專業(yè)知識。”
展望未來
隨著CHARM技術的主要元素得到解決，該團隊現(xiàn)在正在微調他們的工具，使其更有效、更安全、更容易大規(guī)模生產，這將是臨床試驗所必需的。他們已經把這個工具模塊化了，這樣它的各個部分就可以互換，未來的charm就不必從頭開始編程了。目前，人們還在老鼠身上測試CHARMs的治療效果。
從基礎研究到臨床試驗的道路是漫長而曲折的，研究人員知道，在成為朊病毒疾病(包括Vallabh)或其他具有類似遺傳成分的疾病患者的可行醫(yī)療選擇之前，CHARMs還有很長的路要走。然而，有了強大的治療設計和有希望的實驗室結果，研究人員有充分的理由充滿希望。他們繼續(xù)全速工作，致力于發(fā)展他們的技術，以便盡快挽救病人的生命，而不是在某一天。
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-6/20240628050155819.htm） | 
