Een moleculair bewerkingsinstrument dat klein genoeg is om in de hersenen te worden afgeleverd, stopt de productie van eiwitten die prionziekten veroorzaken, een zeldzame maar dodelijke groep neurodegeneratieve aandoeningen.

Het systeem – bekend als een “gekoppelde histonstaart voor automatische afgifte van methyltransferase (CHARM)” – verandert het 'epigenoom', een verzameling chemische tags gebonden aan DNA die de genactiviteit beïnvloeden. Bij muizen heeft CHARM het gen dat de schadelijke eiwitten produceert die prionziekten veroorzaken in de meeste neuronen in de hersenen tot zwijgen gebracht, zonder de gensequentie te veranderen.

CHARM is de eerste stap in de richting van de ontwikkeling van een veilige en effectieve ‘eenmalige behandeling’ om de niveaus van ziekteverwekkende eiwitten te verminderen, zegt Madelynn Whittaker, een bio-ingenieur aan de Universiteit van Pennsylvania in Philadelphia. De resultaten werden vandaag bekendgemaaktWetenschap 1gepubliceerd.

“Het systeem pakt de significante uitdagingen aan waarmee eerdere epigenetische bewerkingssystemen te maken kregen”, zegt Whittaker, die an perspectief artikel inWetenschapco-auteur. Deze omvatten het verminderen van de toxiciteit van bewerkingstools en het leveren ervan aan cellen zonder hun effectiviteit in gevaar te brengen, voegt ze eraan toe.

Prionziekten worden veroorzaakt door verkeerd gevouwen prioneiwitten (PrP's) die samenklonteren en neuronen vernietigen. Dit kan leiden tot aandoeningen zoals het fatale familiale slapeloosheidssyndroom - een zeldzame genetische ziekte die ervoor zorgt dat mensen niet kunnen slapen en tot de dood leidt. Hoewel prionziekten ongeneeslijk zijn, hebben geneesmiddelen die antisense-oligonucleotiden (ASO's) worden genoemd, enkele veelbelovende resultaten opgeleverd. Deze korte, enkelstrengige moleculen binden zich aan defecte boodschapper-RNA-sequenties en verhogen of verlagen de eiwitexpressie. Eerdere studies bij muizen die besmet waren met verkeerd gevouwen versies van PrP hebben aangetoond dat ASO’s de expressie van deze eiwitten verminderen en de levensduur verlengen 2. Maar de medicijnen vereisen meerdere injecties om een ​​langdurig therapeutisch effect te bereiken en kunnen leiden tot bijwerkingen zoals leverschade, zegt Whittaker.

In 2021 ontwikkelden Jonathan Weissman, een biochemicus aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, en zijn team CRISPRoff 3– een bewerkingstool die een chemische tag, een zogenaamde methylgroep, aan de DNA-streng toevoegt, waardoor de genactiviteit wordt verminderd zonder het genoom te veranderen. Maar het hulpmiddel kan niet aan hersencellen worden toegediend omdat de genetische componenten ervan te groot zijn om in een adeno-geassocieerd virus (AAV) te passen - een veelgebruikt voertuig voor het afleveren van gentherapieën in cellen. “De echte uitdaging was de levering”, zegt Weissman.

Nieuwe redacteur

Om dit op te lossen hebben Weissman en zijn team CHARM ontwikkeld, dat moleculen gebruikt die zinkvingereiwitten worden genoemd om zichzelf op doelgenen te richten. Deze eiwitten zijn klein genoeg om in een AAV-vector te worden afgeleverd.

De onderzoekers hebben CHARM aangepast om componenten van DNA-methyltransferasen te rekruteren en te activeren - moleculen die worden aangetroffen in cellen die methylgroepen aan DNA hechten, waardoor de genexpressie verandert. Dit vermindert de toxische effecten die gepaard gaan met het toevoegen van moleculen van buiten de cel, zegt Weissman. ‘Het enige dat we in de cel hebben veranderd, was het vermogen om het prioneiwit tot expressie te brengen’, zegt hij.

Toen de onderzoekers CHARM in de hersenen van gezonde muizen brachten, ontdekten ze dat het de PrP-expressie in de hersenen met meer dan 80% verminderde – ruim boven het minimumniveau dat nodig is voor een therapeutisch effect. Weissman en zijn team hebben CHARM ook zo ontworpen dat het wordt uitgeschakeld nadat het zijn stille werk heeft beëindigd, waardoor het geen kopieën van zichzelf kan maken die tot schadelijke bijwerkingen kunnen leiden.

Het team achter CHARM bestaat uit Sonia Vallabh en haar echtgenoot Eric Vallabh Minikel, prionwetenschappers aan het Broad Institute of MIT en de Harvard University in Cambridge. Vallabh erfde de mutatie achter het fatale familiale slapeloosheidssyndroom, en twaalf jaar geleden wisselden Vallabh en Minikel van carrière om behandelingen voor de ziekte te onderzoeken. Vallabh zegt dat CHARM haar “een enorm zelfvertrouwen” geeft. Ze voegt eraan toe dat de ontwikkeling van geneesmiddelen doorgaans langzaam gaat, maar het werk laat zien hoe snel nieuwe benaderingen kunnen worden ontwikkeld met het juiste team. “De omvang van wat je in korte tijd kunt bereiken is ongelooflijk”, zegt Vallabh. “Het was nog maar twee jaar en een maand geleden dat we Jonathan voor het eerst op het idee brachten om samen te werken en nu zijn we hier.”

CHARM heeft ook het potentieel om andere ziekten te behandelen die worden veroorzaakt door de ophoping van abnormale eiwitten, zoals de ziekte van Parkinson en Alzheimer, voegt Weissman toe. “We weten dat epigenetische uitschakeling niet voor elk gen werkt, maar voor de meeste genen”, zegt hij.

Jacob Goell, een onderzoeker die epigenoombewerkingstools ontwikkelt aan de Rice University in Houston, Texas, is optimistisch dat CHARM ooit in de kliniek zal belanden. Maar er is uitgebreider werk nodig om te evalueren hoe het hulpmiddel en de veranderingen die het creëert, interageren met de genetische machinerie van de cellen, vooral over langere perioden, voegt hij eraan toe.

De volgende stap is om te bestuderen hoe CHARM werkt in een AAV-vector die zich kan richten op neuronen in het menselijk brein. “Dit is de volgende grote uitdaging”, zegt hij.