雷特綜合征（Rett syndrome）是一種罕見的、進(jìn)行性的神經(jīng)發(fā)育障礙，通常影響女孩，造成嚴(yán)重的智力障礙、運(yùn)動(dòng)技能喪失和類似自閉癥的癥狀，目前還沒有治愈方法。雷特綜合征是由X染色體基因MECP2的功能喪失突變引起的。女性通常有兩個(gè)MECP2拷貝，每個(gè)X染色體上有一個(gè)，而在大多數(shù)雷特綜合征的病例中，只有一個(gè)拷貝攜帶這種突變。這種疾病的發(fā)生是因?yàn)榱硪粋€(gè)正常的MECP2拷貝在神經(jīng)元中被一種稱為X 染色體失活的過程所關(guān)閉。

在一項(xiàng)新的研究中，懷特海德研究所創(chuàng)始成員Rudolf Jaenisch、哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)中心助理教授Shawn Liu（之前是Jaenisch實(shí)驗(yàn)室的博士后）、Liu實(shí)驗(yàn)室的研究生Junming Qian和Liu實(shí)驗(yàn)室的博士后Xiaonan Guan發(fā)現(xiàn)，他們可以在實(shí)驗(yàn)室中重新激活雷特綜合征神經(jīng)元（即受雷特綜合征影響的神經(jīng)元）中的MECP2正常拷貝，而且這可以有效恢復(fù)神經(jīng)元功能。他們使用一對(duì)改良的CRISPR工具完成了這一工作，他們?cè)O(shè)計(jì)的這對(duì)工具有助于將沉默的基因重新開啟。他們希望這一策略能夠發(fā)展成為一種成功的雷特綜合征療法。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2023年1月18日的Science Translational Medicine期刊上，論文標(biāo)題為“Multiplex epigenome editing of MECP2 to rescue Rett syndrome neurons”。

Jaenisch說，“我們看到了這樣一個(gè)事實(shí)：雷特綜合征神經(jīng)元有一個(gè)正常的MECP2拷貝，這個(gè)基因碰巧被關(guān)閉了，這是一個(gè)機(jī)會(huì)?！?/p>

改進(jìn)CRISPR以激活基因

CRISPR/Cas9是一種分子工具，科學(xué)家們用它來編輯基因。當(dāng)Liu還是Jaenisch實(shí)驗(yàn)室的博士后時(shí)，他和同事們開發(fā)了對(duì)CRISPR/Cas9進(jìn)行改進(jìn)以便開啟或關(guān)閉基因，而不是編輯它們。這種改進(jìn)的工具通過去除甲基---附著在DNA上并影響基因表達(dá)的化學(xué)標(biāo)簽---來實(shí)現(xiàn)這一目的。他們之前利用他們的工具，通過去除沉默的疾病基因FMR1的甲基化，恢復(fù)了受脆性X綜合征（Fragile X syndrome）影響的神經(jīng)元，其中作為一種神經(jīng)發(fā)育障礙，脆性X綜合征主要導(dǎo)致男孩的智力障礙。

Liu希望將該工具應(yīng)用于其他疾病。他把目光投向了雷特綜合征，因?yàn)樗c脆性X綜合征有一些相似之處---它是一種由單一基因突變引起的神經(jīng)發(fā)育障礙，但也提出了一個(gè)新的挑戰(zhàn)---激活一個(gè)來自無活性X染色體的基因。

X染色體失活是具有兩條X染色體的人的細(xì)胞在發(fā)育過程中正常發(fā)生的過程。這些細(xì)胞的大多數(shù)X染色體基因的拷貝數(shù)是它們所需的兩倍，這意味著如果兩個(gè)拷貝都保持活性，這些基因?qū)?huì)過度表達(dá)。因此，每個(gè)細(xì)胞會(huì)隨機(jī)選擇一條X染色體，使得它的基因沉默。對(duì)于雷特綜合征患者來說，這意味著在他們大約一半的神經(jīng)元中，MECP2的正?？截惐怀聊?，只剩下發(fā)生突變的MECP拷貝在起作用。受雷特綜合征影響的神經(jīng)元有較小的胞體和不典型的電活動(dòng)，這導(dǎo)致了雷特綜合征的癥狀。

圖片來自Science Translational Medicine, 2023, doi:10.1126/scitranslmed.add4666。

Liu和他的團(tuán)隊(duì)在重新激活MECP2的正常拷貝時(shí)面臨的挑戰(zhàn)是，X染色體失活是細(xì)胞中一個(gè)非常強(qiáng)大的執(zhí)行系統(tǒng)，而且多層機(jī)制使基因沉默以防止其過度表達(dá)。當(dāng)他們將他們現(xiàn)有的工具用于雷特綜合征神經(jīng)元，去除使MECP2沉默的甲基化，這確實(shí)在一定程度上增加了該基因的表達(dá)，但不足以恢復(fù)神經(jīng)元的正?；顒?dòng)。他們猜測(cè)，他們需要至少抵消其他沉默X染色體基因的機(jī)制中的一種，以有效恢復(fù)受雷特綜合征影響的神經(jīng)元。

兩種工具比一種好

一組稱為逃逸基因（escapee gene）的X染色體基因提供了一條線索；這些基因不受X染色體失活的影響，因此它們的兩個(gè)拷貝都保持活性。逃逸基因通常與CTCF蛋白接壤。CTCF可以起到絕緣體的作用，幫助隔離基因組的區(qū)域，使一個(gè)區(qū)域的遺傳調(diào)節(jié)與鄰近區(qū)域的調(diào)節(jié)分隔開。在X染色體逃逸基因存在的情況下，CTCF分子很可能將它們與附近的基因沉默分隔開。

這些作者再次改進(jìn)了CRISPR，這次它將把CTCF添加到MECP2周圍的錨點(diǎn)上。他們沒有將CRISPR與Cas9配對(duì)，而是將其與蛋白Cpf1配對(duì)。每種蛋白都使用不同的基因序列來識(shí)別它應(yīng)該靶向的位置，這使得他們能夠?qū)⑦@兩種CRISPR工具結(jié)合起來，而不會(huì)相互干擾。去除甲基化和添加CTCF不僅大幅增加了MECP2的表達(dá)，而且還使神經(jīng)元恢復(fù)到正常的大小和電活動(dòng)。他們的結(jié)果表明，這種方法可以在功能上恢復(fù)受雷特綜合征影響的神經(jīng)元。

Liu實(shí)驗(yàn)室如今正在雷特綜合征小鼠模型中測(cè)試這些工具，看看它們是否能恢復(fù)正常行為。他們還在研究如何使這些工具可以在人類中使用，以便有一天它們可以被用于治療患者。當(dāng)他們專注于推進(jìn)他們?cè)诶滋鼐C合征方面的研究工作時(shí)，他們希望其他實(shí)驗(yàn)室能夠使用他們的工具包來治療其他X連鎖疾病。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Junming Qian et al. Multiplex epigenome editing of MECP2 to rescue Rett syndrome neurons. Science Translational Medicine, 2023, doi:10.1126/scitranslmed.add4666.