Et molekylært redigeringsverktøy som er lite nok til å leveres inn i hjernen, stopper produksjonen av proteiner som forårsaker prionsykdommer, en sjelden, men dødelig gruppe av nevrodegenerative lidelser.

Systemet – kjent som en "koblet histonhale for automatisk frigjøring av metyltransferase (CHARM)" – endrer 'epigenomet', en samling kjemiske merkelapper bundet til DNA som påvirker genaktiviteten. Hos mus gjorde CHARM genet som produserer de skadelige proteinene som forårsaker prionsykdommer i de fleste nevroner i hjernen, uten å endre gensekvensen.

CHARM er det første skrittet mot å utvikle en trygg og effektiv "engangsbehandling" for å redusere nivåene av sykdomsfremkallende proteiner, sier Madelynn Whittaker, en bioingeniør ved University of Pennsylvania i Philadelphia. Resultatene ble offentliggjort i dagVitenskap 1publisert.

"Systemet løser betydelige utfordringer som tidligere epigenetiske redigeringssystemer står overfor," sier Whittaker, som ledsager en perspektivartikkel iVitenskapmedforfatter. Disse inkluderer å redusere toksisiteten til redigeringsverktøy og levere dem til celler uten å kompromittere effektiviteten deres, legger hun til.

Prionsykdommer er forårsaket av feilfoldede prionproteiner (PrPs) som klumper seg sammen og ødelegger nevroner. Dette kan føre til tilstander som dødelig familiært søvnløshetssyndrom – en sjelden genetisk sykdom som hindrer folk i å sove og fører til døden. Selv om prionsykdommer er uhelbredelige, har legemidler kalt antisense oligonukleotider (ASOs) vist noen lovende resultater. Disse korte, enkeltstrengede molekylene binder seg til defekte messenger-RNA-sekvenser og øker eller reduserer proteinekspresjonen. Tidligere studier på mus infisert med feilfoldede versjoner av PrP har vist at ASO-er reduserer uttrykket av disse proteinene og forlenger levetiden 2. Men stoffene krever flere injeksjoner for å oppnå en langsiktig terapeutisk effekt og kan føre til bivirkninger som leverskade, sier Whittaker.

I 2021 utviklet Jonathan Weissman, en biokjemiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, og teamet hans CRISPRoff 3– et redigeringsverktøy som legger til en kjemisk merkelapp kalt en metylgruppe til DNA-strengen, som reduserer genaktiviteten uten å endre genomet. Men verktøyet kan ikke leveres til hjerneceller fordi dets genetiske komponenter er for store til å passe inn i et adeno-assosiert virus (AAV) - en vanlig måte å levere genterapi til celler. "Den virkelige utfordringen var levering," sier Weissman.

Ny redaktør

For å løse dette utviklet Weissman og teamet hans CHARM, som bruker molekyler kalt sinkfingerproteiner for å rette seg mot målgener. Disse proteinene er små nok til å bli levert i en AAV-vektor.

Forskerne modifiserte CHARM for å rekruttere og aktivere komponenter av DNA-metyltransferaser - molekyler som finnes i celler som fester metylgrupper til DNA, noe som forårsaker genuttrykksendringen. Dette reduserer de toksiske effektene forbundet med å legge til molekyler utenfra cellen, sier Weissman. "Det eneste vi endret i cellen var dens evne til å uttrykke prionproteinet," sier han.

Da forskerne leverte CHARM inn i hjernen til friske mus, fant de at det reduserte PrP-uttrykk i hele hjernen med mer enn 80 % – godt over minimumsnivået som kreves for en terapeutisk effekt. Weissman og teamet hans designet også CHARM for å slå seg av etter at den er ferdig med sitt stille arbeid, og hindrer den i å lage kopier av seg selv som kan føre til skadelige bivirkninger.

Teamet bak CHARM inkluderer Sonia Vallabh og ektemannen Eric Vallabh Minikel, prionforskere ved Broad Institute of MIT og Harvard University i Cambridge. Vallabh arvet mutasjonen bak det fatale familiære søvnløshetssyndromet, og for tolv år siden byttet Vallabh og Minikel karriere for å undersøke behandlinger for sykdommen. Vallabh sier CHARM gir henne "enorm selvtillit". Hun legger til at utviklingen av legemidler typisk går sakte, men arbeidet viser hvor raskt nye tilnærminger kan utvikles med riktig team. "Omfanget av hva du kan oppnå på kort tid er utrolig," sier Vallabh. "Det var bare to år og en måned siden at vi først presenterte Jonathan for ideen om å jobbe sammen, og nå er vi her."

CHARM har også potensial til å behandle andre sykdommer forårsaket av oppbygging av unormale proteiner, som Parkinsons og Alzheimers, legger Weissman til. "Vi vet at epigenetisk demping ikke fungerer for hvert gen, men for de fleste genene," sier han.

Jacob Goell, en forsker som utvikler epigenomredigeringsverktøy ved Rice University i Houston, Texas, er optimistisk på at CHARM en dag vil ende opp på klinikken. Men mer omfattende arbeid er nødvendig for å evaluere hvordan verktøyet og endringene det skaper samhandler med cellenes genetiske maskineri, spesielt over lengre perioder, legger han til.

Det neste trinnet er å studere hvordan CHARM fungerer i en AAV-vektor som kan målrette mot nevroner i den menneskelige hjernen. "Dette er den neste store utfordringen," sier han.