Ett molekylärt redigeringsverktyg som är tillräckligt litet för att levereras till hjärnan stoppar produktionen av proteiner som orsakar prionsjukdomar, en sällsynt men dödlig grupp av neurodegenerativa sjukdomar.

Systemet – känt som en ”kopplad histonsvans för automatisk frisättning av metyltransferas (CHARM)” – förändrar 'epigenomet', en samling kemiska taggar bundna till DNA som påverkar genaktiviteten. Hos möss tystade CHARM genen som producerar de skadliga proteiner som orsakar prionsjukdomar i de flesta neuroner i hjärnan, utan att ändra gensekvensen.

CHARM är det första steget mot att utveckla en säker och effektiv "engångsbehandling" för att minska nivåerna av sjukdomsframkallande proteiner, säger Madelynn Whittaker, bioingenjör vid University of Pennsylvania i Philadelphia. Resultaten offentliggjordes idagVetenskap 1publiceras.

"Systemet hanterar betydande utmaningar som tidigare epigenetiska redigeringssystem ställs inför", säger Whittaker, som åtföljer en perspektivartikel iVetenskapmedförfattare. Dessa inkluderar att minska toxiciteten hos redigeringsverktyg och leverera dem till celler utan att kompromissa med deras effektivitet, tillägger hon.

Prionsjukdomar orsakas av felveckade prionproteiner (PrPs) som klumpar ihop sig och förstör nervceller. Detta kan leda till tillstånd som dödligt familjärt sömnlöshetssyndrom - en sällsynt genetisk sjukdom som hindrar människor från att sova och leder till döden. Även om prionsjukdomar är obotliga, har läkemedel som kallas antisensoligonukleotider (ASOs) visat några lovande resultat. Dessa korta, enkelsträngade molekyler binder till felaktiga budbärar-RNA-sekvenser och ökar eller minskar proteinexpression. Tidigare studier på möss infekterade med felveckade versioner av PrP har visat att ASO reducerar uttrycket av dessa proteiner och förlänger livslängden 2. Men läkemedlen kräver flera injektioner för att uppnå en långsiktig terapeutisk effekt och kan leda till biverkningar som leverskador, säger Whittaker.

2021 utvecklade Jonathan Weissman, en biokemist vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, och hans team CRISPRoff 3– ett redigeringsverktyg som lägger till en kemisk etikett som kallas en metylgrupp till DNA-strängen, vilket minskar genaktiviteten utan att förändra genomet. Men verktyget kan inte levereras till hjärnceller eftersom dess genetiska komponenter är för stora för att passa in i ett adenoassocierat virus (AAV) - ett vanligt vehikel för att leverera genterapi till celler. "Den verkliga utmaningen var leveransen", säger Weissman.

Ny redaktör

För att lösa detta utvecklade Weissman och hans team CHARM, som använder molekyler som kallas zinkfingerproteiner för att rikta sig mot målgener. Dessa proteiner är tillräckligt små för att levereras i en AAV-vektor.

Forskarna modifierade CHARM för att rekrytera och aktivera komponenter i DNA-metyltransferaser - molekyler som finns i celler som fäster metylgrupper till DNA, vilket orsakar genuttrycksförändringen. Detta minskar de toxiska effekterna som är förknippade med att lägga till molekyler utanför cellen, säger Weissman. "Det enda vi ändrade i cellen var dess förmåga att uttrycka prionproteinet", säger han.

När forskarna levererade CHARM till hjärnorna på friska möss fann de att det minskade PrP-uttrycket i hela hjärnan med mer än 80 % - långt över den miniminivå som krävs för en terapeutisk effekt. Weissman och hans team designade också CHARM för att stängas av efter att den har avslutat sitt tysta arbete, vilket förhindrar att den gör kopior av sig själv som kan leda till skadliga biverkningar.

Teamet bakom CHARM inkluderar Sonia Vallabh och hennes man Eric Vallabh Minikel, prionforskare vid Broad Institute of MIT och Harvard University i Cambridge. Vallabh ärvde mutationen bakom det fatala familjära sömnlöshetssyndromet, och för tolv år sedan bytte Vallabh och Minikel karriär för att undersöka behandlingar för sjukdomen. Vallabh säger att CHARM ger henne "enormt självförtroende". Hon tillägger att läkemedelsutvecklingen vanligtvis går långsamt, men arbetet visar hur snabbt nya tillvägagångssätt kan utvecklas med rätt team. "Omfattningen av vad du kan uppnå på kort tid är otrolig", säger Vallabh. "Det var bara två år och en månad sedan som vi för första gången presenterade Jonathan för idén att arbeta tillsammans och nu är vi här."

CHARM har också potential att behandla andra sjukdomar orsakade av uppbyggnad av onormala proteiner, såsom Parkinsons och Alzheimers, tillägger Weissman. "Vi vet att epigenetisk tystnad inte fungerar för varje gen, utan för de flesta gener", säger han.

Jacob Goell, en forskare som utvecklar epigenomredigeringsverktyg vid Rice University i Houston, Texas, är optimistisk att CHARM en dag kommer att hamna på kliniken. Men mer omfattande arbete behövs för att utvärdera hur verktyget och de förändringar det skapar interagerar med cellernas genetiska maskineri, särskilt över längre tidsperioder, tillägger han.

Nästa steg är att studera hur CHARM fungerar i en AAV-vektor som kan rikta in sig på neuroner i den mänskliga hjärnan. "Detta är nästa stora utmaning", säger han.