Science子刊：華人團隊通過多重表觀基因編輯，拯救神經(jīng)發(fā)育障礙Rett綜合征

作者|王聰 來源|生物世界(ID：ibioworld)

Rett綜合征，是一種罕見的進行性神經(jīng)發(fā)育障礙，會導(dǎo)致嚴(yán)重的智力殘疾，運動能力喪失和自閉癥樣癥狀，目前還沒有治愈方法。Rett綜合征是由位于X染色體上的MECP2基因的功能喪失突變引起的，因此，通常只有女孩患此疾病。

眾所周知，女性有兩條X染色體，但其中一條X染色體會隨機失活，每條X染色體上都有一個MECP2基因拷貝，而大多數(shù)Rett綜合征患者只有一個MECP2基因突變，也就是說，大多數(shù)Rett綜合征患者的神經(jīng)元中失活的那條X染色體上其實還存在一個正常的MECP2基因，只是該基因未表達。因此，這對于Rett綜合征的治療來說是一個機會，重新激活這個基因拷貝可能是一個很好的治療策略。

近日，哥倫比亞大學(xué) X. Shawn Liu、Whitehead研究所 Rudolf Jaenisch 等人在 Science Translational Medicine 期刊發(fā)表了題為：Multiplex epigenome editing of MECP2 to rescue Rett syndrome neurons 的研究論文。

研究團隊通過dCas9-Tet1來激活原本沉默的MECP2基因表達，同時，還使用了基于新型基因編輯工具CRISPR-Cpf1的dCpf1-CTCF，將CTCF蛋白引入MECP2附近，進一步解除X染色體失活對MECP2基因的沉默。從而在Rett綜合征神經(jīng)元中重新激活MECP2的正常拷貝，有效恢復(fù)神經(jīng)元功能，這一表觀遺傳調(diào)控策略有望發(fā)展為治療Rett綜合征的療法。

該論文的共同通訊作者 Rudolf Jaenisch 是Whitehead研究所創(chuàng)始人之一，美國國家科學(xué)院院士，他曾于1974年構(gòu)建了世界第一只轉(zhuǎn)基因小鼠，此后還在表觀遺傳和干細胞領(lǐng)域取得了一系列重要突破，2013年，他的實驗室構(gòu)建了世界第一只CRISPR-Cas9基因編輯小鼠（論文第一作者為楊輝、王皓毅）。

2016年，X. Shawn Liu、Rudolf Jaenisch 等在 Cell 期刊發(fā)表論文【2】，他們通過將切割活性喪失的Cas9（dCas9）與DNA去甲基化酶Tet1或甲基化酶Dnmt3a融合，從而通過調(diào)控DNA甲基化實現(xiàn)對基因表達的打開或關(guān)閉。

2018年，X. Shawn Liu、Rudolf Jaenisch 等在 Cell 期刊發(fā)表論文【3】，他們將dCas9與DNA去甲基化酶Tet1融合，去除了FMR1基因的甲基化，恢復(fù)了沉默的FMR1基因表達，從而恢復(fù)了受脆性X染色體綜合征影響的神經(jīng)元。脆性X染色體綜合征也是一種神經(jīng)發(fā)育障礙，主要在男孩中導(dǎo)致智力殘疾。

在這項最新研究中，X. Shawn Liu 希望將這一工具應(yīng)用于其他疾病，例如Rett綜合征，Rett綜合征與脆性X染色體綜合征有一些相似之處，都是由單基因突變引起的神經(jīng)發(fā)育障礙，但也存在一些新的挑戰(zhàn)，治療Rett綜合征，需要從已失活的X染色體中重新激活一個基因。

X. Shawn Liu

X. Shawn Liu 本科畢業(yè)于南開大學(xué)，在普渡大學(xué)和斯坦福大學(xué)獲得博士學(xué)位，此后在MIT Whitehead 研究所的 Rudolf Jaenisch 實驗室做博士后，期間系統(tǒng)研究了神經(jīng)疾病中表觀遺傳修飾的功能意義，于2020年加入哥倫比亞大學(xué)任助理教授并成立了獨立實驗室。

女性擁有兩條X染色體，男性則擁有一條X染色體和一條Y染色體，Y染色體上只有很少的基因。如果女性的細胞中的兩條X染色體都保持活躍，那么這些基因相比男性就會過度表達，因此，女性的細胞中的兩條X染色體會有一條隨機失活（其中的基因也會隨之沉默），這是細胞發(fā)育過程中的一個正?，F(xiàn)象。

對于患有Rett綜合征的女性來說，這意味著在她們大約一半的神經(jīng)元中，MECP2的正?？截愲S著X染色體失活而被沉默，留下突變的MECP2基因，表達突變MECP2基因的神經(jīng)元會出現(xiàn)細胞體變小、神經(jīng)電活動異常，從而導(dǎo)致Rett綜合征的癥狀。

研究團隊在重新激活MECP2的正常拷貝時面臨的挑戰(zhàn)是，X染色體失活是細胞中一個非常強大的強制系統(tǒng)，通過多重機制使基因沉默以防止它們的過度表達。當(dāng)研究團隊將之前的工具應(yīng)用于Rett綜合征神經(jīng)元時，去除使MECP2沉默的甲基化，能夠在一定程度上增加MECP2基因的表達，但并不足以恢復(fù)神經(jīng)元的正?；顒?。

研究團隊認為，為了有效地恢復(fù)受Rett綜合征影響的神經(jīng)元，還需要抵消至少一種沉默X染色體的其他機制。

實際上，失活的這條X染色體上并非所有基因都會沉默，而是有一小部分基因會逃脫，這些基因不受X染色體是獲得影響，也就是它們的兩個拷貝都會表達。這些逃脫基因通常與CTCF蛋白相鄰，CTCF蛋白起到了絕緣子的作用，幫助這些基因從X染色體失活中逃脫。

研究團隊通過dCas9-Tet1來激活原本沉默的MECP2基因表達，同時，還使用了基于新型基因編輯工具CRISPR-Cpf1的dCpf1-CTCF，將CTCF蛋白引入MECP2附近，從而進一步解除X染色體失活對MECP2基因的沉默。

這兩種不同的基于CRISPR工具的多重表觀遺傳調(diào)控，同時通過去甲基化和添加CTCF蛋白，不僅大幅增加了MECP2基因的表達，而且還使受Rett綜合征影響的神經(jīng)元恢復(fù)到正常大小和正常的電活動。這些結(jié)果表明，這種多重表觀遺傳調(diào)控方法可以功能恢復(fù)受Rett綜合征影響的神經(jīng)元。

據(jù)悉，X. Shawn Liu 的實驗室現(xiàn)在正在Rett綜合征小鼠模型中測試這些工具，以觀察這種治療方式能否進一步恢復(fù)它們的正常行為。他們還在研究如何使這些工具用于人類，以便將來用于治療人類患者。

X. Shawn Liu 表示，開發(fā)這些花哨的分子工具可能很有趣，但當(dāng)你弄清楚如何講這些工具應(yīng)用于疾病治療，并對社會產(chǎn)生積極影響時，這些研究將變得更有意義。而這是自己在 Rudolf Jaenisch 實驗室所學(xué)到的，至今仍在激勵著自己。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.add4666

https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.056

https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.01.012

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：生物世界(ID：ibioworld)，作者：王聰