Science子刊：华人团队通过多重表观基因编辑，拯救神经发育障碍Rett综合征

作者|王聪 来源|生物世界(ID：ibioworld)

Rett综合征，是一种罕见的进行性神经发育障碍，会导致严重的智力残疾，运动能力丧失和自闭症样症状，目前还没有治愈方法。Rett综合征是由位于X染色体上的MECP2基因的功能丧失突变引起的，因此，通常只有女孩患此疾病。

众所周知，女性有两条X染色体，但其中一条X染色体会随机失活，每条X染色体上都有一个MECP2基因拷贝，而大多数Rett综合征患者只有一个MECP2基因突变，也就是说，大多数Rett综合征患者的神经元中失活的那条X染色体上其实还存在一个正常的MECP2基因，只是该基因未表达。因此，这对于Rett综合征的治疗来说是一个机会，重新激活这个基因拷贝可能是一个很好的治疗策略。

近日，哥伦比亚大学 X. Shawn Liu、Whitehead研究所 Rudolf Jaenisch 等人在 Science Translational Medicine 期刊发表了题为：Multiplex epigenome editing of MECP2 to rescue Rett syndrome neurons 的研究论文。

研究团队通过dCas9-Tet1来激活原本沉默的MECP2基因表达，同时，还使用了基于新型基因编辑工具CRISPR-Cpf1的dCpf1-CTCF，将CTCF蛋白引入MECP2附近，进一步解除X染色体失活对MECP2基因的沉默。从而在Rett综合征神经元中重新激活MECP2的正常拷贝，有效恢复神经元功能，这一表观遗传调控策略有望发展为治疗Rett综合征的疗法。

该论文的共同通讯作者 Rudolf Jaenisch 是Whitehead研究所创始人之一，美国国家科学院院士，他曾于1974年构建了世界第一只转基因小鼠，此后还在表观遗传和干细胞领域取得了一系列重要突破，2013年，他的实验室构建了世界第一只CRISPR-Cas9基因编辑小鼠（论文第一作者为杨辉、王皓毅）。

2016年，X. Shawn Liu、Rudolf Jaenisch 等在 Cell 期刊发表论文【2】，他们通过将切割活性丧失的Cas9（dCas9）与DNA去甲基化酶Tet1或甲基化酶Dnmt3a融合，从而通过调控DNA甲基化实现对基因表达的打开或关闭。

2018年，X. Shawn Liu、Rudolf Jaenisch 等在 Cell 期刊发表论文【3】，他们将dCas9与DNA去甲基化酶Tet1融合，去除了FMR1基因的甲基化，恢复了沉默的FMR1基因表达，从而恢复了受脆性X染色体综合征影响的神经元。脆性X染色体综合征也是一种神经发育障碍，主要在男孩中导致智力残疾。

在这项最新研究中，X. Shawn Liu 希望将这一工具应用于其他疾病，例如Rett综合征，Rett综合征与脆性X染色体综合征有一些相似之处，都是由单基因突变引起的神经发育障碍，但也存在一些新的挑战，治疗Rett综合征，需要从已失活的X染色体中重新激活一个基因。

X. Shawn Liu

X. Shawn Liu 本科毕业于南开大学，在普渡大学和斯坦福大学获得博士学位，此后在MIT Whitehead 研究所的 Rudolf Jaenisch 实验室做博士后，期间系统研究了神经疾病中表观遗传修饰的功能意义，于2020年加入哥伦比亚大学任助理教授并成立了独立实验室。

女性拥有两条X染色体，男性则拥有一条X染色体和一条Y染色体，Y染色体上只有很少的基因。如果女性的细胞中的两条X染色体都保持活跃，那么这些基因相比男性就会过度表达，因此，女性的细胞中的两条X染色体会有一条随机失活（其中的基因也会随之沉默），这是细胞发育过程中的一个正常现象。

对于患有Rett综合征的女性来说，这意味着在她们大约一半的神经元中，MECP2的正常拷贝随着X染色体失活而被沉默，留下突变的MECP2基因，表达突变MECP2基因的神经元会出现细胞体变小、神经电活动异常，从而导致Rett综合征的症状。

研究团队在重新激活MECP2的正常拷贝时面临的挑战是，X染色体失活是细胞中一个非常强大的强制系统，通过多重机制使基因沉默以防止它们的过度表达。当研究团队将之前的工具应用于Rett综合征神经元时，去除使MECP2沉默的甲基化，能够在一定程度上增加MECP2基因的表达，但并不足以恢复神经元的正常活动。

研究团队认为，为了有效地恢复受Rett综合征影响的神经元，还需要抵消至少一种沉默X染色体的其他机制。

实际上，失活的这条X染色体上并非所有基因都会沉默，而是有一小部分基因会逃脱，这些基因不受X染色体是获得影响，也就是它们的两个拷贝都会表达。这些逃脱基因通常与CTCF蛋白相邻，CTCF蛋白起到了绝缘子的作用，帮助这些基因从X染色体失活中逃脱。

研究团队通过dCas9-Tet1来激活原本沉默的MECP2基因表达，同时，还使用了基于新型基因编辑工具CRISPR-Cpf1的dCpf1-CTCF，将CTCF蛋白引入MECP2附近，从而进一步解除X染色体失活对MECP2基因的沉默。

这两种不同的基于CRISPR工具的多重表观遗传调控，同时通过去甲基化和添加CTCF蛋白，不仅大幅增加了MECP2基因的表达，而且还使受Rett综合征影响的神经元恢复到正常大小和正常的电活动。这些结果表明，这种多重表观遗传调控方法可以功能恢复受Rett综合征影响的神经元。

据悉，X. Shawn Liu 的实验室现在正在Rett综合征小鼠模型中测试这些工具，以观察这种治疗方式能否进一步恢复它们的正常行为。他们还在研究如何使这些工具用于人类，以便将来用于治疗人类患者。

X. Shawn Liu 表示，开发这些花哨的分子工具可能很有趣，但当你弄清楚如何讲这些工具应用于疾病治疗，并对社会产生积极影响时，这些研究将变得更有意义。而这是自己在 Rudolf Jaenisch 实验室所学到的，至今仍在激励着自己。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.add4666

https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.056

https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.01.012

编者按：本文转载自微信公众号：生物世界(ID：ibioworld)，作者：王聪