藥物開發(fā)通常是緩慢的:從為新藥提供基礎(chǔ)的基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)，到臨床試驗(yàn)，再到生產(chǎn)一種廣泛可用的藥物，這一過程可能需要幾十年的時(shí)間。但對(duì)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(jí)小組組長(zhǎng)Sonia Vallabh敏銳地意識(shí)到與時(shí)間的賽跑，因?yàn)樗难芯恐黝}是一種神經(jīng)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(zhǎng)，她幾乎肯定會(huì)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(duì)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?，F(xiàn)在，兩人在布羅德研究所(Broad Institute)經(jīng)營(yíng)著一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，致力于開發(fā)能夠預(yù)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?qū)W術(shù)期望，而是基于Vallabh基因密碼中的定時(shí)炸彈。
這就是為什么Vallabh興奮地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)她與懷特黑德研究所成員Jonathan Weissman合作時(shí)，Weissman的團(tuán)隊(duì)喜歡全力以赴地工作。在不到兩年的時(shí)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(guān)閉諸如朊蛋白基因之類的致病基因，也可能關(guān)閉與神經(jīng)退行性疾病和其他疾病有關(guān)的許多其他蛋白質(zhì)的編碼基因。他們正在改進(jìn)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(tuán)隊(duì)對(duì)迄今為止他們開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)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(dāng)我們意識(shí)到我們都很想做這件事時(shí)，一切都開始了。”
共同通訊作者Weissman和Vallabh以及Weissman實(shí)驗(yàn)室的研究生Edwin Neumann和Weissman實(shí)驗(yàn)室的博士后Tessa Bertozzi在6月27日發(fā)表在《科學(xué)》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(rèn)為沒有比這里更適合一群積極進(jìn)取的人在追求學(xué)術(shù)科學(xué)和醫(yī)療技術(shù)方面快速靈活地行動(dòng)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?yàn)槟繕?biāo)
朊病毒疾病是由朊病毒蛋白的畸形變體引起的，它會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)迅速退化和死亡。這在大腦中引起了級(jí)聯(lián)效應(yīng):有缺陷的朊病毒蛋白質(zhì)使其他蛋白質(zhì)變形，這些蛋白質(zhì)不僅停止正常工作，而且還形成有毒的聚集體，殺死神經(jīng)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(duì)蛋白質(zhì)起作用的。然而，CHARMs在上游發(fā)揮作用，關(guān)閉編碼有缺陷蛋白質(zhì)的基因，使蛋白質(zhì)從一開始就無法生成。CHARMs通過表觀遺傳編輯來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在DNA中添加化學(xué)標(biāo)簽，以關(guān)閉或沉默目標(biāo)基因。與基因編輯不同，表觀遺傳編輯不會(huì)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(guān)閉的基因應(yīng)該保持關(guān)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(zhì)的藥物，因?yàn)楹笳弑仨氹S著細(xì)胞蛋白質(zhì)水平的補(bǔ)充而定期服用。
對(duì)動(dòng)物的研究表明，對(duì)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(zhì)可以改善甚至消除疾病癥狀。對(duì)于尚未出現(xiàn)癥狀的人來說，去除這種蛋白質(zhì)應(yīng)該可以完全預(yù)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(yùn)的是，該團(tuán)隊(duì)有一個(gè)很好的CHARM模板:一種名為CRISPRoff的研究工具，Weissman團(tuán)隊(duì)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(shù)的構(gòu)建模塊，包括引導(dǎo)工具到達(dá)目標(biāo)基因的引導(dǎo)蛋白Cas9。CRISPRoff通過添加甲基來沉默目標(biāo)基因，甲基是一種化學(xué)標(biāo)簽，可以阻止基因被轉(zhuǎn)錄或讀取為RNA，從而阻止基因被表達(dá)為蛋白質(zhì)。當(dāng)研究人員測(cè)試CRISPRoff沉默朊蛋白基因的能力時(shí)，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(biāo)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(cuò)誤基因或引起副作用的風(fēng)險(xiǎn)。
從研究工具到候選藥物
研究人員開始設(shè)計(jì)和應(yīng)用他們的新表觀基因組編輯器。他們必須解決的第一個(gè)問題是尺寸，因?yàn)榫庉嬈餍枰銐蛐?，以便打包并運(yùn)送到體內(nèi)的特定細(xì)胞中。將基因植入人腦是一項(xiàng)挑戰(zhàn);許多臨床試驗(yàn)使用腺相關(guān)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(jù)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(dǎo)蛋白，將工具引導(dǎo)到DNA中的目標(biāo)位點(diǎn)。zfp在人類細(xì)胞中也很常見，這意味著它們比細(xì)菌Cas9更不可能引發(fā)針對(duì)自身的免疫反應(yīng)。
接下來，研究人員必須設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中，分子對(duì)細(xì)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?qū)⒓?xì)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(nèi)部的寶貴空間，并防止了毒性。
研究人員還需要激活DNMT3A。在細(xì)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(rèn)的不活動(dòng)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(jié)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(dāng)細(xì)胞的DNMT3A遇到這些部分的組合時(shí)，它就會(huì)被激活，使基因沉默。
“從毒性和大小的角度來看，利用細(xì)胞已有的機(jī)制是有意義的;這是一個(gè)更簡(jiǎn)單、更優(yōu)雅的解決方案，細(xì)胞一直在使用甲基轉(zhuǎn)移酶，我們基本上只是欺騙它們關(guān)閉一個(gè)通常會(huì)打開的基因。”
在小鼠中進(jìn)行的測(cè)試表明，zfp引導(dǎo)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(gè)有效的基因消聲器，他們就轉(zhuǎn)向了脫靶效應(yīng)的問題。傳遞給細(xì)胞的“魅力”的遺傳密碼將無限地產(chǎn)生“魅力”的副本。然而，在朊病毒蛋白基因被關(guān)閉后，這并沒有什么好處，只會(huì)增加副作用產(chǎn)生的時(shí)間，所以他們調(diào)整了這個(gè)工具，這樣在它關(guān)閉朊病毒蛋白基因后，它就會(huì)自我關(guān)閉。
與此同時(shí)，布羅德研究所的科學(xué)家兼合作者本杰明·德弗曼(Benjamin Deverman)的實(shí)驗(yàn)室開展了一個(gè)補(bǔ)充項(xiàng)目，專注于全腦基因傳遞，并于5月17日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，該項(xiàng)目使CHARM技術(shù)離臨床試驗(yàn)更近了一步。雖然自然產(chǎn)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(jìn)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(yùn)送問題，Deverman的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種AAV載體，通過利用自然將鐵運(yùn)送到大腦的途徑，它可以更有效地進(jìn)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(shí)。
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(gè)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(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物試驗(yàn)中顯示出低毒性和有限的脫靶效應(yīng)。
“能參與其中是我的榮幸;在如此短的時(shí)間內(nèi)從基礎(chǔ)研究到治療應(yīng)用是非常罕見的，”Bertozzi說。“我認(rèn)為關(guān)鍵是形成合作，利用魏斯曼實(shí)驗(yàn)室的工具構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)，Vallabh和Minikel實(shí)驗(yàn)室對(duì)疾病的深入了解，以及德弗曼實(shí)驗(yàn)室在基因傳遞方面的專業(yè)知識(shí)。”
展望未來
隨著CHARM技術(shù)的主要元素得到解決，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在微調(diào)他們的工具，使其更有效、更安全、更容易大規(guī)模生產(chǎn)，這將是臨床試驗(yàn)所必需的。他們已經(jīng)把這個(gè)工具模塊化了，這樣它的各個(gè)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(cè)試CHARMs的治療效果。
從基礎(chǔ)研究到臨床試驗(yàn)的道路是漫長(zhǎng)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(zhǎng)的路要走。然而，有了強(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(shù)，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） | 
