Et molekylært redigeringsværktøj, der er lille nok til at blive leveret ind i hjernen, stopper produktionen af ​​proteiner, der forårsager prionsygdomme, en sjælden, men dødelig gruppe af neurodegenerative lidelser.

Systemet - kendt som en "koblet histonhale til automatisk frigivelse af methyltransferase (CHARM)" - ændrer 'epigenomet', en samling af kemiske tags bundet til DNA, som påvirker genaktiviteten. Hos mus gjorde CHARM det gen, der producerer de skadelige proteiner, der forårsager prionsygdomme i de fleste neuroner i hjernen, tavse uden at ændre gensekvensen.

CHARM er det første skridt mod at udvikle en sikker og effektiv "engangsbehandling" for at reducere niveauer af sygdomsfremkaldende proteiner, siger Madelynn Whittaker, en bioingeniør ved University of Pennsylvania i Philadelphia. Resultaterne blev offentliggjort i dagVidenskab 1offentliggjort.

"Systemet løser betydelige udfordringer, som tidligere epigenetiske redigeringssystemer står over for," siger Whittaker, der ledsager en perspektiv artikel iVidenskabmedforfatter. Disse inkluderer at reducere toksiciteten af ​​redigeringsværktøjer og levere dem til celler uden at kompromittere deres effektivitet, tilføjer hun.

Prionsygdomme er forårsaget af fejlfoldede prionproteiner (PrP'er), der klumper sig sammen og ødelægger neuroner. Dette kan føre til tilstande som fatalt familiært søvnløshedssyndrom - en sjælden genetisk sygdom, der forhindrer folk i at sove og fører til døden. Selvom prionsygdomme er uhelbredelige, har lægemidler kaldet antisense oligonukleotider (ASO'er) vist nogle lovende resultater. Disse korte, enkeltstrengede molekyler binder sig til defekte messenger-RNA-sekvenser og øger eller mindsker proteinekspression. Tidligere undersøgelser i mus inficeret med fejlfoldede versioner af PrP har vist, at ASO'er reducerer ekspressionen af ​​disse proteiner og forlænger levetiden 2. Men stofferne kræver flere injektioner for at opnå en langsigtet terapeutisk effekt og kan føre til bivirkninger såsom leverskade, siger Whittaker.

I 2021 udviklede Jonathan Weissman, en biokemiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, og hans team CRISPRoff 3– et redigeringsværktøj, der tilføjer et kemisk mærke kaldet en methylgruppe til DNA-strengen, hvilket reducerer genaktiviteten uden at ændre genomet. Men værktøjet kan ikke leveres til hjerneceller, fordi dets genetiske komponenter er for store til at passe ind i en adeno-associeret virus (AAV) - et almindeligt middel til at levere genterapi til celler. "Den virkelige udfordring var levering," siger Weissman.

Ny redaktør

For at løse dette udviklede Weissman og hans team CHARM, som bruger molekyler kaldet zinkfingerproteiner til at lede sig selv til målgener. Disse proteiner er små nok til at blive leveret i en AAV-vektor.

Forskerne modificerede CHARM for at rekruttere og aktivere komponenter af DNA-methyltransferaser - molekyler fundet i celler, der binder methylgrupper til DNA, hvilket forårsager genekspressionsændringen. Dette reducerer de toksiske virkninger forbundet med at tilføje molekyler uden for cellen, siger Weissman. "Det eneste, vi ændrede i cellen, var dens evne til at udtrykke prionproteinet," siger han.

Da forskerne leverede CHARM ind i hjernen på raske mus, fandt de ud af, at det reducerede PrP-ekspression i hele hjernen med mere end 80 % - et godt stykke over det minimumsniveau, der kræves for en terapeutisk effekt. Weissman og hans team har også designet CHARM til at lukke ned, efter at den er færdig med sit tavse arbejde, hvilket forhindrer den i at lave kopier af sig selv, der kan føre til skadelige bivirkninger.

Holdet bag CHARM omfatter Sonia Vallabh og hendes mand Eric Vallabh Minikel, prionforskere ved Broad Institute of MIT og Harvard University i Cambridge. Vallabh arvede mutationen bag det fatale familiære søvnløshedssyndrom, og for tolv år siden skiftede Vallabh og Minikel karriere for at undersøge behandlinger for sygdommen. Vallabh siger, at CHARM giver hende "enorm selvtillid". Hun tilføjer, at lægemiddeludvikling typisk går langsomt, men arbejdet viser, hvor hurtigt nye tilgange kan udvikles med det rigtige team. "Omfanget af, hvad du kan opnå på kort tid, er utroligt," siger Vallabh. "Det var kun to år og en måned siden, at vi første gang præsenterede Jonathan for ideen om at arbejde sammen, og nu er vi her."

CHARM har også potentialet til at behandle andre sygdomme forårsaget af opbygning af unormale proteiner, såsom Parkinsons og Alzheimers, tilføjer Weissman. "Vi ved, at epigenetisk silencing ikke virker for alle gener, men for de fleste gener," siger han.

Jacob Goell, en forsker, der udvikler epigenomredigeringsværktøjer ved Rice University i Houston, Texas, er optimistisk over, at CHARM en dag vil ende i klinikken. Men der er behov for mere omfattende arbejde for at evaluere, hvordan værktøjet og de ændringer, det skaber, interagerer med cellernes genetiske maskineri, især over længere perioder, tilføjer han.

Det næste trin er at studere, hvordan CHARM virker i en AAV-vektor, der kan målrette neuroner i den menneskelige hjerne. "Dette er den næste store udfordring," siger han.