表觀遺傳醫(yī)學(xué)的新紀(jì)元

科學(xué)家利用表觀遺傳療法，在不改變DNA序列的前提下調(diào)控基因表達(dá)。

表觀遺傳變化不會改變遺傳密碼本身，但通過改變DNA在細(xì)胞內(nèi)的組織方式，表觀遺傳修飾在調(diào)控基因表達(dá)方面發(fā)揮著重要作用。

分子生物學(xué)家、諾貝爾得獎主悉尼.布論納曾指出：科學(xué)進(jìn)步、依賴于新技術(shù)、新思想和新發(fā)現(xiàn)，而且嚴(yán)格遵循這個次序?！被蛑委燁I(lǐng)域的發(fā)展印證了布倫納的觀點(diǎn)。地球上一些最常見的遺傳性疾病，如鐮狀細(xì)胞?。⊿CD，常伴隨劇烈疼痛發(fā)作和頻繁住院）和地中海貧血，其分子病因早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。盡管基因治療的想法可追溯至1972年，但直到2023年，科學(xué)家基于技術(shù)（包括病毒基因療法和CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)）的發(fā)展才成功推出針對這兩種疾病安全且有效的藥物。

表觀基因組編輯也經(jīng)歷了類似的發(fā)展歷程科學(xué)家基于近期的技術(shù)突破才將過去數(shù)十年的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。表觀基因組編輯是一種基因調(diào)控技術(shù)，通過改變基因表達(dá)來恢復(fù)病變細(xì)胞的生物平衡，而不改變DNA序列。這項新技術(shù)的應(yīng)用范圍極為廣泛，多家新成立的和已發(fā)展成熟的生物技術(shù)公司都在探索這種所謂的表觀基因組編輯技術(shù)，以治療病毒感染、控制慢性疼痛、增強(qiáng)免疫功能、降低心臟病風(fēng)險。

表觀基因組編輯從學(xué)術(shù)概念發(fā)展成為治療手段，經(jīng)歷了進(jìn)展停滯期和快速整合期，其間不同領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步交匯在一起。

20世紀(jì)60年代：從“遺傳”到“表觀遺傳”

“遺傳”一詞具有直觀的含義，即存在于DNA中的東西。遺傳密碼的改變會導(dǎo)致生物體內(nèi)可觀察特征的變化。例如，區(qū)分SCD患者與未患此病的人就可以靠一個基因突變一它改變了血紅蛋白的分子形態(tài)- 一來判斷。

到20世紀(jì)80年代，其他類似的表觀遺傳現(xiàn)象陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。例如，在人類和其他哺乳動物中，20000個基因中大約200個是“印記基因”：對于其中一些基因，只有從母親那里繼承來的拷貝是活躍的；對于另一些基因，只有從父親那里繼承來的拷貝是活躍的。科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)基因攜帶著特定的分子標(biāo)記，即組蛋白和DNA上的化學(xué)標(biāo)記。但這些標(biāo)記的具體功能尚不明確，且當(dāng)時研究基因調(diào)控的大多數(shù)學(xué)者對此并不關(guān)注。

隨著時間的推移，人們逐漸意識到：基因表達(dá)中的表觀遺傳差異可能與基因所攜帶的分子標(biāo)記的差異有關(guān)。例如，在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)失活的X染色體上大量存在表觀遺傳標(biāo)記（具體而言是抑制了DNA向RNA轉(zhuǎn)錄的DNA甲基化標(biāo)記），而活躍的X染色體卻不具備這些標(biāo)記。然而，這項研究被當(dāng)時的多數(shù)學(xué)者視為一種小眾現(xiàn)象。表觀遺傳過程的研究被看作冷門領(lǐng)域，表觀遺傳修飾則被視為基因組的一個奇特但不值得深入研究的“花邊現(xiàn)象”。實(shí)際上，當(dāng)時基因調(diào)控研究者之間流行著一個玩笑：如果你無法解釋細(xì)胞核中某個東西的運(yùn)行機(jī)制，將其歸咎于染色質(zhì)（當(dāng)時人們對其認(rèn)知不足，于是它就成了失敗時的“萬能借口”）就行了。

另一方面，表觀遺傳因素可在不改變基因序列的情況下，改變基因行為，進(jìn)而影響細(xì)胞功能，甚至生物體的外在。自然界中存在許多表觀遺傳修飾導(dǎo)致生物體外在差異的例子。例如，查爾斯·達(dá)爾文（CharlesDarwin）曾觀察到所有三花貓都是雌性。我們現(xiàn)在已知其原因：在所有雌性哺乳動物身上，一種被稱為X染色體失活的表觀遺傳過程會使得一條X染色體上的基因失活，同時保持另一條X染色體上的基因活躍。在三花貓身上，攜帶黑色毛發(fā)顏色基因的染色體在部分皮膚區(qū)域失活，而在其他皮膚區(qū)域，攜帶橘色毛發(fā)顏色基因的染色體會失活。換言之，橘色毛發(fā)斑塊和黑色毛發(fā)斑塊在基因?qū)用嫱耆嗤?，但在表觀遺傳層面卻截然不同。

隨著時間的推移，人們逐漸意識到：基因表達(dá)中的表觀遺傳差異可能與基因所攜帶的分子標(biāo)記的差異有關(guān)。

回顧歷史，我們發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳學(xué)被邊緣化的根本原因可以追溯到科學(xué)發(fā)現(xiàn)史上的一次偶然事件。在2000年之前，對基因調(diào)控研究感興趣的科學(xué)家一他們認(rèn)為基因調(diào)控與表觀遺傳過程不同一主要是基于20世紀(jì)60年代在細(xì)菌中獲得的理論和發(fā)現(xiàn)開展相關(guān)研究的，而現(xiàn)在我們知道，細(xì)菌調(diào)控基因的方式比人類簡單得多。整個領(lǐng)域圍繞關(guān)于細(xì)菌基因調(diào)控的研究建立起來，許多關(guān)于DNA轉(zhuǎn)錄、DNA結(jié)合蛋白及DNA調(diào)控元件的重大發(fā)現(xiàn)也隨之產(chǎn)生。這些元件構(gòu)成了基因調(diào)控的經(jīng)典模型，但它們?nèi)笔Я岁P(guān)鍵一環(huán)：表觀基因組中DNA和染色質(zhì)包裝的非編碼修飾。

然而，在20世紀(jì)末，基因調(diào)控研究領(lǐng)域經(jīng)歷了一次“頓悟時刻”。這一令人眼界大開的事件源于對一種名為“四膜蟲”的單細(xì)胞生物中異常蛋白的研究，該蛋白被證實(shí)可以在組蛋白上添加化學(xué)標(biāo)記。令所有人驚訝的是，科學(xué)家在另一種單細(xì)胞生物酵母中也發(fā)現(xiàn)了該蛋白的同源物，而研究表明該同源物是激活基因所必需的。短短四年內(nèi)，研究者就發(fā)現(xiàn)了其他能在組蛋白上添加或去除化學(xué)標(biāo)記并影響基因表達(dá)的蛋白質(zhì)。突然之間，鮮為人知的表觀遺傳學(xué)登上了科學(xué)的主要舞臺。

對于那些致力于研發(fā)藥物的科學(xué)家而言，關(guān)鍵性轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在21世紀(jì)初。當(dāng)時，人們發(fā)現(xiàn)果蠅體內(nèi)一種能夠調(diào)控表觀遺傳過程（即隨機(jī)性基因沉默）的蛋白，其人類同源物是良性前列腺增生發(fā)展為轉(zhuǎn)移性前列腺癌所必需的。這種蛋白也被證實(shí)能在染色質(zhì)上添加化學(xué)標(biāo)記，從而沉默相關(guān)基因。人們發(fā)現(xiàn)，這類現(xiàn)象如此普遍，以至于“表觀基因組”一詞被定義為特定基因或基因組上組蛋白化學(xué)修飾的總和，這些修飾與DNA“協(xié)作”決定基因的功能。

有關(guān)表觀基因組及其如何影響基因調(diào)控的研究仍在進(jìn)行中。然而，科學(xué)家未必需要完全理解整個過程才能加以利用：對表觀基因組運(yùn)作機(jī)制的不完全理解，并未阻礙其在分子藥物設(shè)計中的應(yīng)用。

一個令人意外的發(fā)現(xiàn)：疾病的遺傳根源并不在基因本身？

SCD、冠狀動脈疾?。–AD）和炎癥性腸病（IBD）有什么共同點(diǎn)？答案令人驚訝：盡管它們影響不同的器官且癥狀各異，但這三種疾病同絕大多數(shù)已被研究過的人類疾病一樣，其嚴(yán)重程度因人而異是由控制基因表達(dá)的基因變異所引起的。

為了理解表觀基因組編輯技術(shù)的誕生背景，我們需要介紹一種科學(xué)家用于研究疾病遺傳感染風(fēng)險或保護(hù)因素的方法一全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）。我們知道，SCD、CAD和IBD都具有遺傳性，但即便擁有相同基因變異的人，其癥狀嚴(yán)重程度也會有所相同。例如，對于CAD和IBD這兩種疾病來說，有實(shí)例表明，一些人因家族史會面臨高感染風(fēng)險，而另一些人似乎對這些疾病具有天然抵抗力。為了找出這些易感性和保護(hù)性區(qū)域在基因組中的位置，科學(xué)家在征得數(shù)千人的同意后讀取了他們的DNA，并將其與特定疾病的相關(guān)狀況進(jìn)行比對。對于所研究的每一種疾病，研究者都找到了與疾病易感風(fēng)險或保護(hù)因素相關(guān)的基因組子區(qū)域。令所有人深感困惑的是， 90% 的此類區(qū)域并不在基因本身。要知道，人類DNA中僅有 5% 真正能指示細(xì)胞制造蛋白質(zhì)，其余部分曾被不禮貌地稱為“垃圾DNA”。然而，這些被稱為“垃圾”的區(qū)域中竟存在疾病標(biāo)記，它們會對健康產(chǎn)生怎樣的影響呢？

GWAS研究提出了這一問題，而表觀基因組圖譜給出了答案。通過研究近800種不同的人類細(xì)胞類型和組織，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)， 20% 的DNA含有指示基因何時激活或關(guān)閉的指令。這種調(diào)控DNA的數(shù)量遠(yuǎn)超基因本身一堪比錄音棚場景：一個僅由四位樂手組成的樂隊，其輸出的聲音卻需帶有數(shù)百個控制桿和旋鈕的調(diào)音臺來調(diào)控。這如何幫助我們理解疾病的遺傳機(jī)制呢？當(dāng)科學(xué)家將疾病易感風(fēng)險或保護(hù)標(biāo)記的基因組圖譜與調(diào)控元件圖譜進(jìn)行比對時，他們發(fā)現(xiàn)前者有 90% 竟位于后者之內(nèi)！實(shí)際上，我們現(xiàn)在知道，心臟疾病、免疫系統(tǒng)疾病、代謝性疾病以及幾乎所有其他疾病的遺傳風(fēng)險或保護(hù)因素，根源都在于基因開關(guān)狀態(tài)的改變，而非基因本身的編碼內(nèi)容。CAD一全球發(fā)病率和死亡率最高的疾病一就是典型例證，其最主要的遺傳原因正是一段調(diào)控DNA片段，它能對我們的血管系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜影響。個體間的差異并非在于蛋白質(zhì)編碼基因的DNA序列，而在于調(diào)控元件的DNA序列，該元件決定著某些蛋白質(zhì)在何時何地制成。

我們距離揭開最精彩的篇章僅差最后一步—關(guān)于這一切如何匯聚催生新一代遺傳醫(yī)學(xué)。

在百年長卷中尋找一個詞

我們的基因組非常龐大，這對藥物研發(fā)來說可不是個好消息。如果大多數(shù)疾病由微小的個體基因變異引起，那么我們該如何在醫(yī)學(xué)中利用這一點(diǎn)？即使我們能識別這些變異，又如何在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行干預(yù)呢？

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，許多推動醫(yī)學(xué)進(jìn)步的技術(shù)都是從自然界中借鑒來的。經(jīng)典案例就是重組DNA技術(shù)，它為我們帶來了治療糖尿病的大規(guī)模生產(chǎn)型胰島素和癌癥免疫療法。用于在活細(xì)胞內(nèi)定位特定DNA子區(qū)域的技術(shù)同樣借鑒于大自然。在20世紀(jì)60年代至70年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)所有細(xì)胞（無論是細(xì)菌還是人類細(xì)胞）都含有一些特殊蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)能夠根據(jù)基因序列識別特定的DNA片段。我們的基因組編碼了1600種這樣的蛋白質(zhì)。1991年，科學(xué)家確定了人體細(xì)胞中最常見的此類蛋白質(zhì)的原子級結(jié)構(gòu)：它像一個分子級的毛毛蟲，由兩個或多個片段連接而成，每個片段精準(zhǔn)識別DNA上的3個堿基。這意味著人們可以通過混合搭配這些片段來構(gòu)建新型DNA結(jié)合蛋白，以定位調(diào)控的目標(biāo)基因。2012年，詹妮弗·杜德納（JenniferDoudna）和埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（EmmanuelleCharpentier）—二人后來獲得了2020年的諾貝爾化學(xué)獎一也從自然界中獲得靈感，發(fā)現(xiàn)了一種完全不同的方法用以實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)。他們在細(xì)菌CRISPR免疫系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了Cas9蛋白，它可以利用一小段RNA序列匹配一段20個堿基的DNA序列，進(jìn)而精準(zhǔn)定位目標(biāo)基因。

科學(xué)家現(xiàn)在可以用多種方法來設(shè)計一種能夠定位細(xì)胞中任何DNA片段的蛋白。至此，表觀基因組以令人矚目的方式回歸大眾視野

所有基礎(chǔ)研究的發(fā)展促成了一個重大突破：科學(xué)家現(xiàn)在可以用多種方法來設(shè)計一種能夠定位細(xì)胞中任何DNA片段的蛋白。至此，表觀基因組以令人矚目的方式回歸大眾視野。

表觀基因組編輯：“指揮”基因的行動

21世紀(jì)初，科學(xué)家將一種能與基因結(jié)合的人造蛋白與一種能在組蛋白上添加信息的蛋白融合在一起，注入細(xì)胞中，然后觀察改變表觀基因組是否會影響該基因的功能。早在2001年和2002年首批“表觀基因組編輯器”誕生時，改變某個基因的表觀基因組是否能按需激活或關(guān)閉該基因還完全是個未知數(shù)。令所有人驚喜的是，這種分子工具能夠找到目標(biāo)基因，重寫其表觀基因組，并使其沉默。

然而，第一代表觀基因組編輯器等待了將近二十年才等到其他相關(guān)技術(shù)逐漸成熟。在這個過程中，遞送技術(shù)至關(guān)重要，因?yàn)檠芯空咝枰_保表觀基因組編輯器能夠到達(dá)人體內(nèi)的特定器官。目前存在多種遞送方式。一種是利用一種無害的病毒將編碼表觀基因組編輯器的基因送至脊柱，在那里，這個分子“有效載荷”會找到并關(guān)閉負(fù)責(zé)將疼痛信號傳遞到大腦的基因。人們自前正在利用這種方法進(jìn)行針對慢性、頑固性疼痛的臨床試驗(yàn)。另一種方式是，遞送病毒將表觀基因組編輯器運(yùn)送至大腦，該編輯器能增強(qiáng)維持正常腦電活動所需的基因的表達(dá)，并且已在治療與嚴(yán)重持續(xù)性癲癇有關(guān)的小鼠遺傳病模型中得到應(yīng)用。新冠疫情使得“脂質(zhì)納米顆粒”（LNP）這個術(shù)語廣為人知，如今LNP正被用于臨床試驗(yàn)，以將可以沉默肝炎病毒活性的表觀基因組編輯器遞送至肝細(xì)胞。用于治療神經(jīng)退行性疾病和心血管疾病的表觀基因組編輯器距離進(jìn)入人體臨床試驗(yàn)階段也不遠(yuǎn)了。

在所有上述案例中，醫(yī)學(xué)倫理要求臨床試驗(yàn)聚焦于目前治療方案不太多的嚴(yán)重疾病。然而，我們至少還需要兩年時間才能得知這些早期臨床試驗(yàn)的結(jié)果。希望在不久的將來，試驗(yàn)結(jié)果能夠證明表觀編輯是安全且有效的。這并非必然，但值得期待。那么，表觀編輯的現(xiàn)實(shí)前景究竟如何？一個合適的預(yù)測依據(jù)是相信基因組編輯的力量?？梢钥吹?，在基因組編輯領(lǐng)域，強(qiáng)大的CRISPR-Cas9技術(shù)被用于直接修復(fù)導(dǎo)致遺傳疾病的突變。這項技術(shù)表明，我們在一次糾正一個基因方面已取得顯著進(jìn)展。同時，它在對目標(biāo)基因施加強(qiáng)烈的“二元”效應(yīng)方面也表現(xiàn)卓越：編輯前，基因存在突變；編輯后，基因被徹底修復(fù)。表觀基因組編輯技術(shù)則更像是一個調(diào)音臺，既能產(chǎn)生分級效應(yīng)，也能方箭齊發(fā)，同時靶向多個基因。

盡管表觀基因組編輯技術(shù)仍需進(jìn)一步發(fā)展，但已有足夠多的數(shù)據(jù)預(yù)示：它未來可用于同時調(diào)控多個基因的表達(dá)，以創(chuàng)造更健康的細(xì)胞或器官。

在一個頻繁出現(xiàn)像CRISPR-Cas系統(tǒng)這樣的革命性發(fā)現(xiàn)（此前完全無人預(yù)料到）的領(lǐng)域，客觀地預(yù)測未來極為困難。但有一點(diǎn)是確定的：遺傳醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步不會放緩。表觀基因組編輯技術(shù)對健康的影響極有可能乘上這股東風(fēng)，大放異彩。 （÷）

資料來源TheScientist

本文作者費(fèi)奧多爾·烏爾諾夫（FyodorUrnov）是加州大學(xué)伯克利分校研究基因組與表觀基因組編輯的教授和TuneTherapeutics（一家專注于表觀遺傳編輯技術(shù)的公司）的聯(lián)合創(chuàng)始人。他在CRISPR基因治療的臨床應(yīng)用中作出了開創(chuàng)性責(zé)獻(xiàn)