表觀遺傳醫學的新紀元

科學家利用表觀遺傳療法，在不改變DNA序列的前提下調控基因表達。

表觀遺傳變化不會改變遺傳密碼本身，但通過改變DNA在細胞內的組織方式，表觀遺傳修飾在調控基因表達方面發揮著重要作用。

分子生物學家、諾貝爾得獎主悉尼.布論納曾指出：科學進步、依賴于新技術、新思想和新發現，而且嚴格遵循這個次序?！被蛑委燁I域的發展印證了布倫納的觀點。地球上一些最常見的遺傳性疾病，如鐮狀細胞?。⊿CD，常伴隨劇烈疼痛發作和頻繁住院）和地中海貧血，其分子病因早在20世紀50年代就已經被發現。盡管基因治療的想法可追溯至1972年，但直到2023年，科學家基于技術（包括病毒基因療法和CRISPR-Cas9基因編輯技術）的發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歷了類似的發展歷程科學家基于近期的技術突破才將過去數十年的發現轉化為實際應用。表觀基因組編輯是一種基因調控技術，通過改變基因表達來恢復病變細胞的生物平衡，而不改變DNA序列。這項新技術的應用范圍極為廣泛，多家新成立的和已發展成熟的生物技術公司都在探索這種所謂的表觀基因組編輯技術，以治療病毒感染、控制慢性疼痛、增強免疫功能、降低心臟病風險。

表觀基因組編輯從學術概念發展成為治療手段，經歷了進展停滯期和快速整合期，其間不同領域的技術進步交匯在一起。

20世紀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致生物體內可觀察特征的變化。例如，區分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- 一來判斷。

到20世紀80年代，其他類似的表觀遺傳現象陸續被發現。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?？茖W家還發現基因攜帶著特定的分子標記，即組蛋白和DNA上的化學標記。但這些標記的具體功能尚不明確，且當時研究基因調控的大多數學者對此并不關注。

隨著時間的推移，人們逐漸意識到：基因表達中的表觀遺傳差異可能與基因所攜帶的分子標記的差異有關。例如，在20世紀80年代，科學家發現失活的X染色體上大量存在表觀遺傳標記（具體而言是抑制了DNA向RNA轉錄的DNA甲基化標記），而活躍的X染色體卻不具備這些標記。然而，這項研究被當時的多數學者視為一種小眾現象。表觀遺傳過程的研究被看作冷門領域，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“花邊現象”。實際上，當時基因調控研究者之間流行著一個玩笑：如果你無法解釋細胞核中某個東西的運行機制，將其歸咎于染色質（當時人們對其認知不足，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，進而影響細胞功能，甚至生物體的外在。自然界中存在許多表觀遺傳修飾導致生物體外在差異的例子。例如，查爾斯·達爾文（CharlesDarwin）曾觀察到所有三花貓都是雌性。我們現在已知其原因：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，攜帶黑色毛發顏色基因的染色體在部分皮膚區域失活，而在其他皮膚區域，攜帶橘色毛發顏色基因的染色體會失活。換言之，橘色毛發斑塊和黑色毛發斑塊在基因層面完全相同，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：基因表達中的表觀遺傳差異可能與基因所攜帶的分子標記的差異有關。

回顧歷史，我們發現，表觀遺傳學被邊緣化的根本原因可以追溯到科學發現史上的一次偶然事件。在2000年之前，對基因調控研究感興趣的科學家一他們認為基因調控與表觀遺傳過程不同一主要是基于20世紀60年代在細菌中獲得的理論和發現開展相關研究的，而現在我們知道，細菌調控基因的方式比人類簡單得多。整個領域圍繞關于細菌基因調控的研究建立起來，許多關于DNA轉錄、DNA結合蛋白及DNA調控元件的重大發現也隨之產生。這些元件構成了基因調控的經典模型，但它們缺失了關鍵一環：表觀基因組中DNA和染色質包裝的非編碼修飾。

然而，在20世紀末，基因調控研究領域經歷了一次“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”的單細胞生物中異常蛋白的研究，該蛋白被證實可以在組蛋白上添加化學標記。令所有人驚訝的是，科學家在另一種單細胞生物酵母中也發現了該蛋白的同源物，而研究表明該同源物是激活基因所必需的。短短四年內，研究者就發現了其他能在組蛋白上添加或去除化學標記并影響基因表達的蛋白質。突然之間，鮮為人知的表觀遺傳學登上了科學的主要舞臺。

對于那些致力于研發藥物的科學家而言，關鍵性轉折出現在21世紀初。當時，人們發現果蠅體內一種能夠調控表觀遺傳過程（即隨機性基因沉默）的蛋白，其人類同源物是良性前列腺增生發展為轉移性前列腺癌所必需的。這種蛋白也被證實能在染色質上添加化學標記，從而沉默相關基因。人們發現，這類現象如此普遍，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修飾的總和，這些修飾與DNA“協作”決定基因的功能。

有關表觀基因組及其如何影響基因調控的研究仍在進行中。然而，科學家未必需要完全理解整個過程才能加以利用：對表觀基因組運作機制的不完全理解，并未阻礙其在分子藥物設計中的應用。

一個令人意外的發現：疾病的遺傳根源并不在基因本身？

SCD、冠狀動脈疾病（CAD）和炎癥性腸?。↖BD）有什么共同點？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已被研究過的人類疾病一樣，其嚴重程度因人而異是由控制基因表達的基因變異所引起的。

為了理解表觀基因組編輯技術的誕生背景，我們需要介紹一種科學家用于研究疾病遺傳感染風險或保護因素的方法一全基因組關聯研究（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，有實例表明，一些人因家族史會面臨高感染風險，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性區域在基因組中的位置，科學家在征得數千人的同意后讀取了他們的DNA，并將其與特定疾病的相關狀況進行比對。對于所研究的每一種疾病，研究者都找到了與疾病易感風險或保護因素相關的基因組子區域。令所有人深感困惑的是， 90% 的此類區域并不在基因本身。要知道，人類DNA中僅有 5% 真正能指示細胞制造蛋白質，其余部分曾被不禮貌地稱為“垃圾DNA”。然而，這些被稱為“垃圾”的區域中竟存在疾病標記，它們會對健康產生怎樣的影響呢？

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種不同的人類細胞類型和組織，科學家發現， 20% 的DNA含有指示基因何時激活或關閉的指令。這種調控DNA的數量遠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百個控制桿和旋鈕的調音臺來調控。這如何幫助我們理解疾病的遺傳機制呢？當科學家將疾病易感風險或保護標記的基因組圖譜與調控元件圖譜進行比對時，他們發現前者有 90% 竟位于后者之內！實際上，我們現在知道，心臟疾病、免疫系統疾病、代謝性疾病以及幾乎所有其他疾病的遺傳風險或保護因素，根源都在于基因開關狀態的改變，而非基因本身的編碼內容。CAD一全球發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控DNA片段，它能對我們的血管系統產生復雜影響。個體間的差異并非在于蛋白質編碼基因的DNA序列，而在于調控元件的DNA序列，該元件決定著某些蛋白質在何時何地制成。

我們距離揭開最精彩的篇章僅差最后一步—關于這一切如何匯聚催生新一代遺傳醫學。

在百年長卷中尋找一個詞

我們的基因組非常龐大，這對藥物研發來說可不是個好消息。如果大多數疾病由微小的個體基因變異引起，那么我們該如何在醫學中利用這一點？即使我們能識別這些變異，又如何在細胞內進行干預呢？

在生物醫學領域，許多推動醫學進步的技術都是從自然界中借鑒來的。經典案例就是重組DNA技術，它為我們帶來了治療糖尿病的大規模生產型胰島素和癌癥免疫療法。用于在活細胞內定位特定DNA子區域的技術同樣借鑒于大自然。在20世紀60年代至70年代，科學家發現所有細胞（無論是細菌還是人類細胞）都含有一些特殊蛋白質，這些蛋白質能夠根據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。1991年，科學家確定了人體細胞中最常見的此類蛋白質的原子級結構：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建新型DNA結合蛋白，以定位調控的目標基因。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年的諾貝爾化學獎一也從自然界中獲得靈感，發現了一種完全不同的方法用以實現相同目標。他們在細菌CRISPR免疫系統中發現了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，進而精準定位目標基因。

科學家現在可以用多種方法來設計一種能夠定位細胞中任何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

所有基礎研究的發展促成了一個重大突破：科學家現在可以用多種方法來設計一種能夠定位細胞中任何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世紀初，科學家將一種能與基因結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閉該基因還完全是個未知數。令所有人驚喜的是，這種分子工具能夠找到目標基因，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技術逐漸成熟。在這個過程中，遞送技術至關重要，因為研究者需要確保表觀基因組編輯器能夠到達人體內的特定器官。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”會找到并關閉負責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行針對慢性、頑固性疼痛的臨床試驗。另一種方式是，遞送病毒將表觀基因組編輯器運送至大腦，該編輯器能增強維持正常腦電活動所需的基因的表達，并且已在治療與嚴重持續性癲癇有關的小鼠遺傳病模型中得到應用。新冠疫情使得“脂質納米顆?！保↙NP）這個術語廣為人知，如今LNP正被用于臨床試驗，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胞。用于治療神經退行性疾病和心血管疾病的表觀基因組編輯器距離進入人體臨床試驗階段也不遠了。

在所有上述案例中，醫學倫理要求臨床試驗聚焦于目前治療方案不太多的嚴重疾病。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的結果。希望在不久的將來，試驗結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，表觀編輯的現實前景究竟如何？一個合適的預測依據是相信基因組編輯的力量?？梢钥吹剑诨蚪M編輯領域，強大的CRISPR-Cas9技術被用于直接修復導致遺傳疾病的突變。這項技術表明，我們在一次糾正一個基因方面已取得顯著進展。同時，它在對目標基因施加強烈的“二元”效應方面也表現卓越：編輯前，基因存在突變；編輯后，基因被徹底修復。表觀基因組編輯技術則更像是一個調音臺，既能產生分級效應，也能方箭齊發，同時靶向多個基因。

盡管表觀基因組編輯技術仍需進一步發展，但已有足夠多的數據預示：它未來可用于同時調控多個基因的表達，以創造更健康的細胞或器官。

在一個頻繁出現像CRISPR-Cas系統這樣的革命性發現（此前完全無人預料到）的領域，客觀地預測未來極為困難。但有一點是確定的：遺傳醫學領域的技術進步不會放緩。表觀基因組編輯技術對健康的影響極有可能乘上這股東風，大放異彩。 （÷）

資料來源TheScientist

本文作者費奧多爾·烏爾諾夫（FyodorUrnov）是加州大學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的公司）的聯合創始人。他在CRISPR基因治療的臨床應用中作出了開創性責獻