Science子刊：利用基于CRISPR的工具重新激活沉默的MECP2基因拷贝，有望治疗雷特综合征

雷特综合征（Rett syndrome）是一种罕见的、进行性的神经发育障碍，通常影响女孩，造成严重的智力障碍、运动技能丧失和类似自闭症的症状，目前还没有治愈方法。雷特综合征是由X染色体基因MECP2的功能丧失突变引起的。女性通常有两个MECP2拷贝，每个X染色体上有一个，而在大多数雷特综合征的病例中，只有一个拷贝携带这种突变。这种疾病的发生是因为另一个正常的MECP2拷贝在神经元中被一种称为X 染色体失活的过程所关闭。

在一项新的研究中，怀特海德研究所创始成员Rudolf Jaenisch、哥伦比亚大学医学中心助理教授Shawn Liu（之前是Jaenisch实验室的博士后）、Liu实验室的研究生Junming Qian和Liu实验室的博士后Xiaonan Guan发现，他们可以在实验室中重新激活雷特综合征神经元（即受雷特综合征影响的神经元）中的MECP2正常拷贝，而且这可以有效恢复神经元功能。他们使用一对改良的CRISPR工具完成了这一工作，他们设计的这对工具有助于将沉默的基因重新开启。他们希望这一策略能够发展成为一种成功的雷特综合征疗法。相关研究结果发表在2023年1月18日的Science Translational Medicine期刊上，论文标题为“Multiplex epigenome editing of MECP2 to rescue Rett syndrome neurons”。

Jaenisch说，“我们看到了这样一个事实：雷特综合征神经元有一个正常的MECP2拷贝，这个基因碰巧被关闭了，这是一个机会。”

改进CRISPR以激活基因

CRISPR/Cas9是一种分子工具，科学家们用它来编辑基因。当Liu还是Jaenisch实验室的博士后时，他和同事们开发了对CRISPR/Cas9进行改进以便开启或关闭基因，而不是编辑它们。这种改进的工具通过去除甲基---附着在DNA上并影响基因表达的化学标签---来实现这一目的。他们之前利用他们的工具，通过去除沉默的疾病基因FMR1的甲基化，恢复了受脆性X综合征（Fragile X syndrome）影响的神经元，其中作为一种神经发育障碍，脆性X综合征主要导致男孩的智力障碍。

Liu希望将该工具应用于其他疾病。他把目光投向了雷特综合征，因为它与脆性X综合征有一些相似之处---它是一种由单一基因突变引起的神经发育障碍，但也提出了一个新的挑战---激活一个来自无活性X染色体的基因。

X染色体失活是具有两条X染色体的人的细胞在发育过程中正常发生的过程。这些细胞的大多数X染色体基因的拷贝数是它们所需的两倍，这意味着如果两个拷贝都保持活性，这些基因将会过度表达。因此，每个细胞会随机选择一条X染色体，使得它的基因沉默。对于雷特综合征患者来说，这意味着在他们大约一半的神经元中，MECP2的正常拷贝被沉默了，只剩下发生突变的MECP拷贝在起作用。受雷特综合征影响的神经元有较小的胞体和不典型的电活动，这导致了雷特综合征的症状。

图片来自Science Translational Medicine, 2023, doi:10.1126/scitranslmed.add4666。

Liu和他的团队在重新激活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执行系统，而且多层机制使基因沉默以防止其过度表达。当他们将他们现有的工具用于雷特综合征神经元，去除使MECP2沉默的甲基化，这确实在一定程度上增加了该基因的表达，但不足以恢复神经元的正常活动。他们猜测，他们需要至少抵消其他沉默X染色体基因的机制中的一种，以有效恢复受雷特综合征影响的神经元。

两种工具比一种好

一组称为逃逸基因（escapee gene）的X染色体基因提供了一条线索；这些基因不受X染色体失活的影响，因此它们的两个拷贝都保持活性。逃逸基因通常与CTCF蛋白接壤。CTCF可以起到绝缘体的作用，帮助隔离基因组的区域，使一个区域的遗传调节与邻近区域的调节分隔开。在X染色体逃逸基因存在的情况下，CTCF分子很可能将它们与附近的基因沉默分隔开。

这些作者再次改进了CRISPR，这次它将把CTCF添加到MECP2周围的锚点上。他们没有将CRISPR与Cas9配对，而是将其与蛋白Cpf1配对。每种蛋白都使用不同的基因序列来识别它应该靶向的位置，这使得他们能够将这两种CRISPR工具结合起来，而不会相互干扰。去除甲基化和添加CTCF不仅大幅增加了MECP2的表达，而且还使神经元恢复到正常的大小和电活动。他们的结果表明，这种方法可以在功能上恢复受雷特综合征影响的神经元。

Liu实验室如今正在雷特综合征小鼠模型中测试这些工具，看看它们是否能恢复正常行为。他们还在研究如何使这些工具可以在人类中使用，以便有一天它们可以被用于治疗患者。当他们专注于推进他们在雷特综合征方面的研究工作时，他们希望其他实验室能够使用他们的工具包来治疗其他X连锁疾病。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Junming Qian et al. Multiplex epigenome editing of MECP2 to rescue Rett syndrome neurons. Science Translational Medicine, 2023, doi:10.1126/scitranslmed.add4666.