阻止基因滚雪球简单的基因干扰如何减缓亨廷顿氏病的发展速度

虽然导致亨廷顿病 (HD) 的基因变化会给细胞带来若干问题，但研究人员认为这些问题可能源于一个核心：基因变化的长度随着时间的推移而增加，就像雪球在滚下山坡时体积不断增大一样。这种被称为体细胞不稳定性或体细胞扩增的遗传现象，似乎是疾病进展的关键驱动因素。在最近的一项研究中，科学家们开发了一种强大的基因编辑工具 CRISPR 的新变体，用以阻断这种基因扩增，从而可能为新的治疗机会铺平道路。

遗传雪球

HD 是由一个名为 HTT 的基因发生变化引起的，具体表现为遗传字母 C-A-G 重复了多次。在 HD 患者中，这段 CAG 区域比正常人长，从而在脑细胞内启动了致命的连锁反应。与大多数在生命周期中保持不变的突变不同，HTT 中的 CAG 重复序列会随着年龄的增长而变长，就像雪球在冲下山坡时速度越来越快一样。

出生时，大多数 HD 患者的 HTT 基因中约有 40 到 50 个 CAG 重复序列。随着时间的推移，该数值在细胞内呈指数级增长，到症状出现时有时会超过 500 个重复！如果初始重复次数超过临界阈值（36 个重复），这种扩增就会随着时间的推移变成一种遗传雪球，并开始失控增长。

然而，HD 并非个例；它属于一类更广泛的疾病，称为三核苷酸重复序列疾病——这是一个花哨的术语，指 3 个（tri）遗传字母（nucleotide）不断重复（repeat——好吧，这个很显而易见……）。这些疾病在突变雪球化方面都有类似的问题。其中一个例子是弗里德赖希共济失调 (Friedrich’s Ataxia)，它是由不断增长的 CTG 重复序列驱动的，也会随着时间的推移而恶化。

观察到几种大脑疾病都是由不断增长的三核苷酸重复序列引起的，这提出了一个关键问题：为什么增长的三核苷酸序列对脑细胞如此有害？通常，像 HTT 这样的基因被用来产生信使 RNA（也称为 mRNA），它是 DNA 的临时副本，用于制造蛋白质（细胞的机器）。然而，长三核苷酸重复序列会导致 RNA 扭曲成极度纠缠且稳定的结，阻塞细胞的蛋白质制造机制。随着这些纠缠的 RNA 变得越来越长、越来越多，它们会日益干扰蛋白质的生产，最终导致细胞死亡。

阻断不稳定性

如果有一种方法能在这种雪球效应失控之前将其打破呢？由 David Liu 博士领导的哈佛大学科学家们假设，他们可以通过简单地将其中一个 CAG 替换为类似但无害的 CAA 序列，来阻断重复的 CAG 序列。

通过阻断重复的 CAG，即使是使用类似的 CAA 序列，导致 CAG 随年龄增长而增长的潜在途径也可能被阻断！换句话说，插入 CAA 序列就像在山坡上放置了一片碎石，导致雪球撞上它们并失去动量！

Liu 及其团队受到先前研究的启发，该研究表明 CAA 阻断似乎能延缓疾病发作。通常，CAG 重复序列的数量能有力地预测某人何时会患上 HD，但遗传学研究发现，有些人的重复序列很长，但发病年龄却推迟了。

经过更仔细的检查，这些遗传异常值被发现其 CAG 链中含有简短的 CAA 阻断。值得注意的是，这些简单的阻断与疾病发作延迟 12 年有关！受这些观察结果的启发，Liu 及其团队想知道他们是否可以有意识地将 CAA 序列插入带有 HD 基因的细胞中，以及这是否能重现这种保护作用。

CRISPR 击碎雪球

像将 CAG 交换为 CAA 这样精确的遗传改变，理论上很简单，但在实践中极具挑战性。Liu 及其团队转向了 CRISPR，这是一种基因编辑工具，其作用类似于分子剪刀，可以改变特定的 DNA 序列。他们开发了一种特殊类型的 CRISPR，称为碱基编辑，它可以寻找 CAG 重复序列并将其中一些交换为 CAA。

通过使用在培养皿中生长的各种人类细胞，他们发现其 CRISPR 碱基编辑策略成功修改了约 80% 细胞中的 HTT CAG 重复序列，且没有毒性迹象。更令人鼓舞的是，他们发现这些简单的 CAA 阻断似乎在 30 天后停止了 CAG 重复序列的扩增。他们甚至注意到经过 CRISPR 编辑的细胞似乎生长得更快，看起来更健康！

由于这种类型的 CRISPR 针对所有的 CAG 重复序列（不仅仅是 HTT 中的那一个），并且也会在其中引入 CAA 阻断，因此他们需要确认其他基因没有被意外破坏。总共，他们发现约有 250 个其他基因被 CRISPR 改变，这可能是因为它们含有类似的 CAG 重复序列。然而，其中只有约 50 个在脑细胞中处于活跃状态，且只有一个似乎受到了显著干扰。虽然这一发现并不能排除风险，但它确实表明意外编辑不太可能导致严重问题。无论如何，尽量减少意外编辑将是未来的重中之重！

使用 CRISPR 阻断 CAG

现在面临着巨大的挑战：团队能否将 CRISPR 机制导入活体大脑的细胞中并成功编辑 CAG 序列？Liu 的团队使用了一种 HD 小鼠模型，其 HTT 基因携带 110 个 CAG 重复序列，且这种重复序列随着小鼠年龄的增长而迅速增长（重复序列不稳定性）。为了将 CRISPR 递送到大脑，团队将 CRISPR 包装成一种无害的病毒，这种病毒充当基因递送服务，将基因编辑工具直接注入细胞。

在向小鼠注射载有 CRISPR 的病毒四周后，研究人员发现约 30% 的细胞似乎已经接收了基因编辑工具。在含有 CRISPR 的 30% 细胞中，约 75% 的 HTT 基因中似乎至少含有一个 CAA 阻断。这意味着大约每 5 个脑细胞中就有 1 个成功接收了保护性的遗传改变——虽然并不完美，但这是一个充满希望的开始！再过 12 周后，研究人员检查了 CAG 重复序列的长度，发现扩增似乎不仅停止了，有些 CAG 重复序列甚至可能缩短了！

为了调查他们的方法是否在 HD 之外也有效，研究人员在弗里德赖希共济失调（另一种重复序列扩增障碍）的细胞和小鼠模型中重复了实验。令人兴奋的是，他们观察到了类似的结果：多达 55% 的脑细胞似乎含有重复序列阻断，且重复序列随着时间的推移保持稳定，没有表现出随年龄增长而扩增的迹象。

CRISPR 会打破僵局吗？

总的来说，这些发现似乎表明 HTT 中雪球般的重复序列扩增是可以停止的，而且这种方法甚至可能适用于其他重复序列疾病。然而，有几点理由需要保持谨慎。这项研究侧重于 CRISPR 是否能插入 CAA 阻断并阻止重复序列增长，但它并未评估这种干预是否能改善症状或延缓疾病。了解这种治疗方法对 HD 体征和症状的影响，对于确定其是否应继续推进至关重要。

此外，在进入人体试验之前，减少对 HTT 以外基因的意外改变将至关重要。另一个问题是递送——人类的大脑比小鼠的大脑大得多，将 CRISPR 导入足够多的脑细胞以产生影响将特别具有挑战性。

尽管存在这些目前的局限性，但这些结果是向前迈出的重要一步。随着基因编辑准确性的提高和更有效的递送方法，CRISPR 很可能成为对抗 HD 和其他三核苷酸重复序列疾病的强大工具。

摘要：核心要点

• 问题： HD 是由 HTT 基因突变引起的，其中 CAG 重复序列随时间增长，这一过程称为 体细胞扩增。这种“遗传雪球”似乎会恶化脑细胞功能并驱动疾病进展。
• 见解： 即使是重复序列中的微小阻断，例如将 CAG 交换为类似且无害的 CAA，也可能能够减缓或停止扩增并延缓症状发作。
• 突破： 科学家们使用了一种改良的 CRISPR 工具（称为碱基编辑）将这些具有潜在保护作用的 CAA 阻断插入 HTT 基因中。
• 实验室研究： 在人类细胞中，CRISPR 碱基编辑在约 80% 的细胞中发挥了作用，似乎停止了扩增并改善了细胞健康。
• 小鼠实验： 通过病毒注射递送 CRISPR 后，约 20% 的脑细胞发生了保护性变化，且 CAG 重复序列似乎停止了增长。
• 额外收获： 在另一种重复序列疾病——弗里德赖希共济失调的小鼠模型中也取得了类似的成功。
• 局限性： 仍需开展更多工作以：
  • 证明症状得到改善
  • 尽量减少意外影响
  • 将递送规模扩大到大得多的类脑
• 重要意义： 这项工作表明，CRISPR 可用于阻断活体脑组织中的重复序列扩增，为治疗 HD 和类似的遗传疾病提供了真正的希望。

了解更多

原始研究文章，“针对导致亨廷顿病和弗里德赖希共济失调的三核苷酸重复序列进行碱基编辑，可减少患者细胞和小鼠体内的体细胞重复序列扩增”（开放获取）。