基因表达表观调节疗法

表观遗传本质上是产生复杂生物的重要基础。例如人体使用同样一套基因组，但是会产生差异巨大的各种不同类型细胞，不同细胞组织形状不同的器官。这背后最重要的就是表观遗传学调节。如果掌握了这种调节机制，就掌握了修改和调节细胞功能的钥匙。也就掌握了治疗某些疾病的重要工具。

基因编辑疗法治疗基因相关疾病已经获得临床批准。但改变基因不仅复杂而且有一定风险。如果通过基因调控进行更精确的微调，将是调节基因治疗的一种思路。这里报道了一项下调基因表达的技术，理论上也能开发促进基因表达的疗法。这些方法将对许多基因表达相关疾病的治疗带来新的希望。

根据一项研究，基因组编辑的替代方案可以在不改变DNA序列的情况下降低影响胆固醇水平的基因的活性，并且可以在小鼠中长时间这样做。

科学家们通过改变每只动物的“ 表观基因组”来实现基因表达调节的效果，表观遗传的其中一个特征是存在与DNA结合并影响基因活性的化学标签的集合。经过这种治疗后，实现靶基因的表达活性下降，并在研究小鼠的11个月内保持低水平。

2023 年，首个依赖于 CRISPR-Cas9 编辑系统的基因组编辑疗法获得批准，开创了一种依赖于对 DNA 序列进行靶向改变的新形式的医学。2024年2月28日发表在《自然》 杂志上的这项新发现，支持了编辑表观基因组来治疗某些疾病的理由，从而避免了通过DNA链断裂和基因不可逆转改变带来的一些风险。

“这只是一个摆脱DNA切割时代的开始，”加州大学戴维斯分校的表观遗传学家Henriette O'Geen说。“这可以改变与疾病有关的基因的表达 - 并可能提供治愈 - 而不改变DNA。”

随着细胞在发育过程中具有新的身份，其DNA上的化学标签模式通常会发生变化。例如，这些表观遗传改变可以告诉细胞表现为肝细胞，而不是脑细胞。

经过十多年的努力，科学家们研究出如何修改基因组编辑工具以调整一些表观遗传标记。这使得在DNA的精确位置添加一种称为甲基的化学标签成为可能，例如，关闭基因，或从基因组中的某个点移除甲基以打开基因 2 .

表观遗传学编辑在临床上的应用最初尚不清楚，荷兰格罗宁根大学医学中心的表观遗传学家Marianne Rots说。她说，研究人员担心这种方法的具体或有效性，以及它的效果会持续多久。

基因组上的一根手指

为了解决这些问题，意大利米兰圣拉斐尔科学研究所的基因治疗研究员Angelo Lombardo和他的同事使用了称为锌指蛋白的分子，这些分子与CRISPR-Cas9系统非常相似，可以设计成与基因组中的特定序列结合。该团队设计了一种可以与PCSK9基因结合的锌指蛋白，PCSK9基因是几种现有高胆固醇疗法的靶点。然后，作者将他们的锌指蛋白与参与将甲基连接到DNA的三种蛋白质片段融合在一起。

这种片段的混合物是从胚胎发育过程中起作用的一系列蛋白质中提取的，添加了甲基以确保潜伏在基因组中的病毒序列 - 过去感染的遗物 - 被沉默并终生保持这种状态。Lombardo说，希望这种自然表观遗传编辑的长期影响将延续到作者设计的锌指蛋白结合的基因上。

研究小组使用小鼠来编辑Pcsk9基因。动物的胆固醇水平在治疗后一个月内下降。他们的PCSK9蛋白水平也下降了，并且在研究人员追踪它们的330天内一直保持在低水平。O'Geen说，这种影响可能会持续一年以上，因为啮齿动物的PSCK9水平在实验结束时没有反弹的迹象。

进行表观遗传学编辑带来投资热度

这些结果将增加人们对表观遗传编辑的兴奋。Rots说，有十多家公司专注于开发表观遗传编辑疗法。一些人报告了对猴子的长期影响，但尚未在同行评审的期刊上发表他们的研究结果。

位于马萨诸塞州剑桥市的Omega Therapeutics公司正在进行一项表观遗传编辑器的临床试验，该编辑器可以沉默MYC，MYC是一种在许多癌症中过度活跃的基因，并且很难使用常规药物进行靶向。“看到事情是如何爆炸的，真是令人兴奋，”罗茨说。

Durable and efficient gene silencing in vivo by hit-and-run epigenome editing | Nature

使用配备转录抑制因子的可编程编辑器进行永久性表观遗传沉默，为治疗人类疾病带来了巨大的希望1,2,3.然而，为了释放其全部治疗潜力，需要在体内传递编辑的瞬时递送后进行持久的表观遗传沉默的实验确认。为此，我们在这里靶向Pcsk9，这是一种在肝细胞中表达的基因，参与胆固醇稳态。对不同编辑器设计的体外筛选表明，锌指蛋白是有效沉默小鼠 Pcsk9 的最佳 DNA 结合平台。单次施用加载有编辑mRNA的脂质纳米颗粒几乎使小鼠中PCSK9的循环水平减半近一年。值得注意的是，Pcsk9沉默和伴随的表观遗传抑制标记在强制肝脏再生后也持续存在，进一步证实了新安装的表观遗传状态的遗传性。构建体设计的改进导致了一种多合一配置的发展，我们称之为进化的工程转录阻遏蛋白（EvoETR）。这种设计具有高特异性的特点，进一步降低了小鼠中PCSK9的循环水平，其效率与通过传统基因编辑获得的效率相当，但不会引起DNA断裂。我们的研究为开发基于表观遗传沉默的体内疗法奠定了基础。

表观基因组编辑正在成为一种很有前途的新策略，可以在不改变其主要DNA序列的情况下沉默基因3,4.在这种情况下，含有源自天然转录抑制因子的效应结构域 （ED） 的设计编辑器通过可编程 DNA 结合结构域 （DBD） 靶向预选基因组位点，例如催化失活的 Cas9 （dCas9）5,6、转录激活因子样效应子 （TALE）7,8或锌指蛋白 （ZFP）9、10、11.在不同的ED中，属于Krüppel相关盒（KRAB）转录抑制因子家族的EDs。12对表观遗传沉默（表观沉默）特别感兴趣。基于KRAB的编辑器可以通过组蛋白修饰酶募集的保守机制，在体外和体内诱导不同细胞类型的强大基因抑制波，这使它们成为临床试验的有吸引力的工具13,14.然而，在体细胞中，KRAB相关的组蛋白标记是不稳定的，除非被染色质结合的阻遏蛋白持续释放15.因此，为了支持长时间的靶基因抑制，基于KRAB的编辑器需要在细胞中稳定表达，这项任务通常通过病毒衍生载体递送编辑器来完成13,16.这种方法给临床转化带来了安全问题，因为将载体插入宿主基因组会导致诱变17,18而如前所述，编辑者的长时间表达可能会促进他们的脱靶活动19用于 CRISPR-Cas9。这些问题可以通过采用协同作用于多种表观遗传抑制途径的ED组合来解决15.为此，我们之前利用了一种抑制性复合物的关键ED，该复合物在整个发育和成年生活中永久沉默内源性逆转录病毒20：KRAB，从头 DNA-甲基转移酶 A （cdDNMT3A） 及其无活性辅因子 DNMT3 样 （DNMT3L） 的催化结构域。相应的编辑器组合（称为工程转录阻遏蛋白 （ETR））的瞬时递送与细胞系和人原代 T 细胞中内源性基因的高效、持久和特异性表观沉默有关15.表观沉默分别通过协同去除和沉积激活和抑制性组蛋白标记来作用于 ETR 靶向基因的启动子-增强子区域。它还伴随着 CpG 二核苷酸 DNA 甲基化水平的局部增加，CpG 二核苷酸是一种抑制性表观遗传标记，可以通过内源性甲基转移酶 DNMT1 的活性在整个细胞有丝分裂过程中遗传。后一个过程是表观沉默持久性的基础，使得ETR表达在基因抑制的初始阶段是必要的，然后对于其长期繁殖是可有可无的。研究已经证实了这些发现，使用在单个分子中包含上述ED和DBD的多合一编辑器21,22.此外，研究表明，绝大多数蛋白质编码基因对表观沉默有反应，这是表观沉默技术临床应用的关键一步22.然而，瞬时ETR表达是否可以在体内建立持久的基因沉默仍然未知。在这里，我们通过靶向小鼠 Pcsk9 基因来解决这个问题，该基因的蛋白质产物通过促进肝脏肝细胞质膜上的低密度脂蛋白 （LDL） 受体降解来控制循环中的胆固醇水平23.出于这个原因，Pcsk9基因及其产物的灭活正在被深入研究，以治疗遗传性和获得性高胆固醇血症23、24、25 .