RNA编辑疗法：更安全的基因治疗方法
文摘
2024-11-30 07:04
浙江
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我们将每天分享国际上生物、医学等方向的最新科研成果，把世界上最新的科技发展带给读者，如果喜欢我们，请点一个关注吧莫妮卡·科恩拉兹承认，作为第一次当父母且没有太多时间陪伴孩子的人，她很晚才发现女儿切尔西有些不对劲。然而，当切尔西1岁时，她的发育明显停滞，甚至开始倒退。她只学会说一个字，并很快就不再说话了。切尔西只有在别人扶着她站直时才能走路。她失去了抓握能力，并开始“用手做出重复的动作”，比如拍手，科恩拉兹说，当时她的家人住在弗吉尼亚州。“我迫切希望得到一个诊断结果，”科恩拉兹说。但当切尔西2岁时她终于得到一个诊断结果时，“这简直是双重打击。”切尔西不仅患有雷特综合征（Rett syndrome），这是一种无法治愈的神经系统疾病，而且科学家们对这种疾病知之甚少。他们只知道它主要影响女孩，并且可能是由基因突变引起的，但他们还没有确定导致这种疾病的遗传元凶。那是1998年的事。如今，科恩拉兹和她的丈夫仍在照顾28岁的切尔西，她无法说话、走路或使用双手。她需要药物来控制癫痫发作、减轻焦虑并帮助睡眠。现在已知该疾病背后的遗传缺陷：通常是MECP2基因的突变，该基因控制包括大脑在内的许多器官中的基因活性。和其他雷特综合征患儿的父母一样，科恩拉兹希望科学家们能加快步伐，开发出治疗方法。但作为雷特综合征研究信托基金的创始人和首席执行官，她有能力为此做些什么。除了资助一系列纠正或更换错误DNA的策略外，她的组织还支持一种非传统的方法。该信托基金已投入850万美元（超过其研究拨款的10%）用于编辑由突变MECP2基因编码的RNA链。他们正在支持一种新兴但很有前途的疾病治疗方法：编辑蛋白质的RNA蓝图。“我们的目标是促进这一领域的发展，”科恩拉兹说。并不是只有她对RNA编辑的潜力充满热情。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的生物工程师托马斯·加杰（Thomas Gaj）说，这种基因编辑器CRISPR和其他DNA修饰疗法的替代方案“正在占据中心舞台”。与基于DNA的治疗相比，编辑后的RNA可能更容易被输送到细胞中，而且这种策略可能更安全。到目前为止，还没有针对雷特综合征的RNA编辑疗法出现。但在该领域的一个潜在里程碑事件中，Wave Life Sciences上周在一份新闻稿中宣布，其RNA编辑方法提高了患有危及生命遗传性疾病患者体内正常蛋白质的产量，这种疾病会损害他们的肝脏和肺部。除了Wave之外，还有三家生物技术公司——Ascidian Therapeutics、Rznomics和辉大基因——已经开始在患有眼病或癌症的患者中测试治疗方法。更多的公司正在竞相开发自己的疗法，通常与大型制药公司合作，而学术实验室则更深入地研究编辑机制。哈佛医学院的生物工程师乔纳森·古腾伯格（Jonathan Gootenberg）说，RNA编辑“并不是CRISPR的替代品。它是对抗疾病的另一种武器”。他的实验室已经开发出修改RNA的新方法。研究人员仍在多个方面努力改进这项技术：提高其效率和精确性，改进输送必需分子的方法，并减少副作用。杜克大学医学院的生物工程师阿拉文德·阿索坎（Aravind Asokan）说，选择正确的疾病作为治疗目标也至关重要。“一切都归结于仔细选择应用。”对许多人来说，依赖RNA的新型COVID-19疫苗唤起了他们对高中生物课上模糊记忆的回忆，当时他们了解到，一个基因的双链DNA仅仅储存了制造蛋白质的指令。为了实际组装一个蛋白质，细胞会将一个基因转录成信使RNA（mRNA）；它将蛋白质的蓝图传递给称为核糖体的小型分子工厂，核糖体将氨基酸连接在一起以形成蛋白质。COVID-19疫苗中的合成mRNA利用这种生物学原理欺骗细胞制造病毒蛋白质，从而刺激免疫反应。包括一种依赖CRISPR的疗法在内，至少有十几种经批准的遗传病治疗方法会改变一个人的DNA。这些治疗方法针对镰状细胞贫血、一种类型的肌营养不良症和其他几种疾病。针对许多其他疾病的DNA修饰疗法正在开发中——仅CRISPR基策略就有40多项临床试验正在进行中。然而，芝加哥大学海洋生物实验室的分子生物学家约书亚·罗森塔尔（Joshua Rosenthal）说，“在RNA而不是DNA中进行遗传改变具有一些巨大的优势”。他是RNA编辑公司Korro Bio的联合创始人。首先，编辑mRNA不涉及错误改变一个人基因的风险，这种改变可能是永久性的。相比之下，因为修改后的RNA在体内迅速分解，所以编辑的结果是暂时的，这使得更容易结束治疗和减少副作用。这使得RNA编辑更像其他药物。“大多数治疗都不是永久性的，”罗森塔尔说。“你不会服用永久的阿司匹林。”此外，CRISPR依赖于如Cas9等细菌酶来切割DNA，它们可能引发免疫系统反应。“你正在把一种外来蛋白质放入人类细胞中，”加利福尼亚大学圣地亚哥分校的生物工程师普拉尚特·马里说。研究人员正在开发的一些RNA编辑方法避免了这种风险。RNA编辑在细胞中自然发生。例如，mRNA在成为细胞修剪不编码蛋白质部分的序列之前的较长草稿被称为前体mRNA（pre-mRNA）。科学家们首次建议在20世纪90年代中期利用这些RNA修饰机制来对抗疾病，尽管他们当时缺乏这样做的工具。现在，在遗传技术和其他基于RNA的疗法（如小干扰RNA（siRNA）和反义RNA，它们可以降低有害蛋白质的产量）方面取得进展20多年后，RNA编辑可能即将起飞。目前正在开发的许多治疗方法都利用了一种细胞机制来微调RNA，使其不会引发我们的免疫系统。虽然我们的mRNA最初是单链的，但“所有RNA都会折叠，它们无法避免”，犹他大学的生物化学家布伦达·巴斯说。当这些分子双链化时，它们可能触发针对病毒的细胞警报——病毒也经常携带双链RNA——并引发炎症。巴斯和一位同事在20世纪80年代末发现，细胞经常用另一种称为肌苷的分子替换其mRNA分子中的一个构建块腺苷。这种交换将细胞RNA标记为非威胁性。因为科学家们称之为的A到I转换经常发生在mRNA分子不编码蛋白质部分的区域，所以它们通常不会影响最终的氨基酸序列。然而，巴斯说，“没有它们，每个人都会患上自身炎症性疾病。”被称为ADAR（作用于RNA的腺苷脱氨酶）的酶促成了A到I的转换。参与这些酶的RNA编辑治疗方法很有前途，因为许多遗传疾病源于基因突变，这些突变在mRNA分子的特定位置将另一个构建块鸟苷改变为腺苷。通过将腺苷替换为肌苷，ADAR基本上可以纠正这个错误，因为细胞的蛋白质制造机制将mRNA中的肌苷读取为鸟苷。为了招募ADAR，研究人员制作了一种引导RNA，这是一种短链，其序列与它们想要靶向的mRNA部分序列互补。这种定制的合成序列，被称为寡核苷酸，识别并结合携带要替换的腺苷的mRNA部分，形成吸引校正酶的双链结构。除了修复突变外，研究人员还希望使用ADAR来改变蛋白质的功能。替换mRNA中的腺苷可以打开或关闭由此产生的蛋白质，改变它与其他蛋白质的相互作用，改变其在细胞中的位置，并加速或减慢其分解。生物技术公司ProQR Therapeutics旨在使用这种方法治疗胆汁淤积症，这是一组相关疾病，其中由肝脏产生的称为胆汁酸的分子在肝脏中积聚，从而损害肝脏。ProQR专注于允许胆汁酸进入肝细胞的受体。研究人员设计了一种引导RNA，它定位于受体mRNA中携带关键腺苷的部分。然后，ADAR将其改变为肌苷，这会破坏受体，并“可以减轻肝细胞因胆汁酸过载或淹没而受损的情况”，ProQR的首席科学官杰拉德·普拉滕堡（Gerard Platenburg）说。该公司计划在今年晚些时候或2025年初开始对其寡核苷酸进行试验，普拉滕堡说。上周带来好消息的临床试验也涉及A到I编辑疗法。该公司Wave瞄准的是α1-抗胰蛋白酶（AAT）缺乏症，其特征是α1-抗胰蛋白酶稀缺或有缺陷，这是一种中和免疫细胞释放的有害酶的蛋白质。这种分子的缺乏会使肺部容易受到破坏性免疫酶的侵害。AAT缺乏症可能在人们20多岁时损害肺部，而错误的AAT会滞留在肝细胞中，导致肝硬化和其他类型的肝损伤。如果不治疗症状，这种疾病可能导致早逝。这种新疗法是一种注射的寡核苷酸，它靶向在几乎95%患有严重AAT缺乏症的患者中突变的mRNA片段。Wave去年开始在健康人身上进行其治疗的安全测试，然后转向携带ATT基因的两个不良拷贝且不产生任何正常版本蛋白质的人。该公司报告说，在接受一剂其疗法的两名患者中，15天后血液中超过60%的AAT蛋白质是正常版本。治疗后57天，这种版本仍存在于他们的血液中。“我们观察到单次剂量的mRNA编辑水平超出了我们的预期，我们预计随着重复给药，正常蛋白质水平将继续增加，”该公司总裁兼首席执行官保罗·博尔诺（Paul Bolno）在一份新闻稿中说。该领域的科学家对这一原理验证结果表示欢迎，但要全面评估这种疗法还需要更多时间和更多数据。“这无疑是RNA编辑领域的一个里程碑，证实了ADAR介导的RNA编辑可以用于治疗应用，”马里说。甚至在Wave的新闻发布之前，罗森塔尔就同样乐观地认为哪种RNA编辑治疗将首先获得美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration）的批准。“如果让我预测，我会说是A到I。”但研究人员仍在研究如何提高ADAR的效率并减少可能导致副作用的错误变化。例如，他们发现，对引导RNA进行化学调整可以提高编辑效率。Wave的寡核苷酸携带尿嘧啶的修饰版本，其他修饰也可能带来好处。马里及其同事在2022年进行的一项研究显示，将引导RNA的末端连接形成环可以提高在培养的人类细胞和模拟人类代谢疾病的突变小鼠中的编辑效率。环状RNA在细胞中持续时间也更长，可能是因为它们不易受到天然RNA破坏酶的攻击。研究人员还试图减少脱靶编辑，即ADAR错过预期的腺苷而改变附近的腺苷。由加州大学戴维斯分校的化学家彼得·比尔（Peter Beal）领导的一个团队已经证明，在引导RNA的特定位置放置某些核苷酸可以保护“无辜”的腺苷。他们发现，被称为锁核酸的耐用分子是腺苷的有效守护者。“我们可以通过战略性地定位这些锁核酸来控制反应的选择性，”比尔说。原则上，ADAR可以纠正大约20,000种产生遗传疾病的鸟苷到腺苷突变。科恩拉兹说，这个数字包括导致约三分之一雷特综合征病例的缺陷。但这种方法的一个局限性是，研究人员必须为每种突变设计和测试一种引导RNA。“你怎么能治疗所有这些突变呢？”哈佛医学院的生物工程师奥马尔·阿布达耶（Omar Abudayyeh）问道。此外，ADAR对超过100,000种其他导致疾病的遗传缺陷几乎没有任何帮助，这些缺陷可能涉及酶无法修复的单个核苷酸变化或更大的缺陷，如整个DNA片段的获得或丢失。为了解决更广泛的突变问题，阿布达耶、他的合作者古腾伯格和其他科学家正试图利用一种称为剪接的不同RNA改变机制，该机制自然发生。在这个过程中，细胞编辑前体mRNA分子，去除不需要的部分（称为内含子），并将剩余的部分（称为外显子）缝合在一起。大多数时候，细胞连接来自相同前体RNA分子的外显子以形成mRNA。然而，有时剪接机制会引入一种不同蛋白质的前体mRNA分子的部分，这种操作称为反式剪接，会产生复合mRNA。研究人员希望，通过触发反式剪接，他们可以用校正后的序列替换缺陷mRNA的更大部分。这样，RNA编辑就可以治疗由多种突变引起的疾病。阿布达耶说，这有可能“用一种药物就能捕获该基因中所有带有突变的人”。以一组海洋生物命名的Ascidian公司今年夏天启动了临床试验，以测试这种机制是否能减缓Stargardt病的进展，这是一种由ABCA4基因缺陷引起的遗传性黄斑变性，其蛋白质有助于保护眼睛免受毒素侵害。Stargardt病可由1000多种突变引起，而这种治疗方法“可以针对大约75%的患者”，Ascidian公司的总裁迈克尔·埃尔斯（Michael Ehlers）说。在早期研究中，该策略提高了猴子眼睛和人类视网膜组织样本中正常ABCA4蛋白质的水平。埃尔斯说，确定它是否对人类有帮助可能需要大约2年的时间，因为这种疾病恶化得非常缓慢。韩国公司Rznomics也在进行两项临床试验，测试反式剪接作为治疗肝癌和脑癌的方法。明年，该公司将开始研究该疗法对遗传性眼病视网膜色素变性的治疗，在这种疾病中，患者因视网膜细胞退化而逐渐失明。反式剪接存在效率问题：在一些研究中，该过程修复了不到1%的缺陷mRNA。为了提高这一数字，研究人员正在探索几种策略，包括尽管存在引发免疫反应的风险，但仍采用细菌Cas蛋白。例如，阿索坎及其同事转向了一种名为Cas13的酶，该酶切割RNA而不是DNA。他们对蛋白质进行了调整，使其无法切割，从而将其转变为一种耦合器，将准备剪接的自然前体mRNA与携带替代外显子的引入RNA分子连接起来。研究人员在3月的《自然·通讯》（Nature Communications）上报告说，在培养细胞中，这种方法比依赖引导RNA将校正序列引导到位的替代方法效率高出多达40倍。相比之下，阿布达耶、古腾伯格及其同事利用了另一种Cas蛋白的RNA切割能力。他们假设，通过在特定剪接位点切割前体mRNA分子，酶Cas7-11将更容易添加替代RNA外显子。研究人员在各种细胞中测试了该技术，包括携带致病突变的细胞系。他们今年早些时候在bioRxiv预印本上透露，该方法将反式剪接效率提高到5%至50%。Cas蛋白还可以通过简单地切割突变的mRNA来编辑它们，这通常会导致它们退化，从而降低驱动疾病的异常蛋白质水平。由中国生物技术公司辉大基因赞助的临床试验将评估这种策略是否对患有眼病年龄相关性黄斑变性或MECP2重复综合征的患者有益，后者是一种神经和发育障碍，是雷特综合征的反面——MECP2水平过高。然而，被Cas切割并不总是意味着RNA分子的毁灭。有时细胞会挽救断裂的RNA并重新连接其末端。蒙大拿州立大学的分子生物学家布莱克·维登黑夫特（Blake Wiedenheft）及其同事希望利用这种天然的RNA修复过程，他们推断，可以使用Cas蛋白来剪切mRNA中引起问题的部分。然后，细胞会修复分子，留下一个稍短但功能正常的mRNA。研究人员在携带导致囊性纤维化突变的细胞中评估了这一策略。这种突变在CFTR蛋白质的mRNA中创建了一个过早的“停止”信号，导致细胞产生快速退化的分子截短版本。因此，患者缺乏CFTR，这是一种调节肺部盐分和液体的蛋白质。在与培养细胞合作的过程中，研究人员使用Cas蛋白和靶向RNA停止信号的引导RNA，从CFTR mRNA中切除突变部分。虽然大多数编辑后的mRNA分解了，但有一些得到了修复，细胞开始产生几乎完整的CFTR，研究团队在5月17日的《科学》杂志上报告了这一发现。维登黑夫特说，这种方法并不适用于一些没有删除部分就无法发挥功能的蛋白质。但其他蛋白质可能效果很好。他已经成立了一家公司，试图将这些研究结果转化为治疗方法。他说，由于各种原因，囊性纤维化可能不是这种疗法的良好靶标，但至少45种遗传疾病是可能的靶标。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的生物工程师托马斯·加杰（Thomas Gaj）说，RNA编辑领域“仍处于早期阶段”，并且“可能会经历成长之痛”。研究人员正在努力解决的一个问题是如何将RNA编辑分子输送到正确的器官和细胞中——这也是标准基因疗法和DNA编辑所面临的挑战。“输送是RNA编辑的最大障碍，”普拉尚特·马里（Prashant Mali）说。为了将RNA编辑器输送到目标位置，研究人员通常将它们包装在腺相关病毒内，这种病毒已经用于输送整个基因或CRISPR疗法。他们还使用与mRNA疫苗相同的脂质纳米颗粒。这是Ascidian公司治疗Stargardt病的策略。相比之下，Wave的寡核苷酸仅包裹在一种糖中注入体内，使其能够进入肝细胞。每种方法都有其优点和缺点，可能还需要更多策略。研究人员还担心RNA编辑方法的低效率会阻碍治疗的发展。但CRISPR等DNA编辑器在早期也同样效率低下。比尔指出，即使一种只修复了一小部分mRNA的治疗方法也可能对患者有益。“你可能只需要百分之几就能获得治疗效果。”RNA编辑方法不仅面临来自已建立的基于DNA的遗传药物的竞争，还面临其他涉及RNA的疗法的竞争。目前已有六种经批准的siRNA疗法和18种基于寡核苷酸的药物，它们都是通过降低突变mRNA的水平而不是修复分子来发挥作用。尽管如此，研究人员认为RNA编辑治疗方法可以找到自己的市场。如果它们能够做到这一点，接受这些治疗的人们将不会关心它们是否影响DNA或RNA，古腾伯格说。“对大多数患者来说，疾病是如何被治愈的并不重要。重要的是它被治愈了。”
