——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國(guó)科學(xué)院辦院方針
2025年10月1日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）的周昌陽(yáng)、孫怡迪團(tuán)隊(duì)和安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院的謝峻團(tuán)隊(duì)在《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）上發(fā)表了題為Design of optimized Epigenetic Regulators for durable gene Silencing with application to PCSK9 in Non-Human Primates 的研究論文。該研究通過(guò)對(duì)表觀編輯工具的元件與結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性?xún)?yōu)化，開(kāi)發(fā)出效率顯著提升的新型編輯器。在細(xì)胞、小鼠及食蟹猴模型中直接比較證明，基于TALE蛋白的單組分表觀編輯器（EpiReg-T，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，遞送效率更高）在低劑量下的藥效，顯著優(yōu)于基于CRISPR/dCas9的雙組分系統(tǒng)。在非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物模型中，EpiReg-T僅需單次靜脈給藥，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)血液中PCSK9和“壞膽固醇”的持續(xù)、深度抑制，在文章發(fā)表時(shí)，該療效已穩(wěn)定維持超過(guò)一年且未見(jiàn)反彈。本研究同時(shí)揭示了這種長(zhǎng)效抑制是DNA甲基化與組蛋白修飾協(xié)同作用的結(jié)果，深化了對(duì)表觀遺傳分子機(jī)制的理解。該研究為家族性高膽固醇血癥等代謝疾病提供了一種極具潛力的“一次性給藥”新策略，并展示了出色的安全性和有效性。
基因編輯技術(shù)，如CRISPR/Cas9和新一代的堿基編輯技術(shù)，通過(guò)永久性地改變DNA序列來(lái)修正致病基因，是功能強(qiáng)大的治療工具。這些前沿技術(shù)在修正基因時(shí)，或依賴(lài)于DNA斷裂后的細(xì)胞修復(fù)，或直接對(duì)單個(gè)DNA堿基進(jìn)行轉(zhuǎn)換。盡管這些技術(shù)的精準(zhǔn)性在不斷迭代提升，但如何確保在復(fù)雜的人體環(huán)境中完全避免任何非預(yù)期的、永久性的序列改變，仍是該領(lǐng)域在邁向更廣泛臨床應(yīng)用時(shí)需要持續(xù)關(guān)注和完善的重要方向。正是在這一背景下，一種旨在補(bǔ)充現(xiàn)有技術(shù)、為基因治療提供更多選擇的策略——表觀遺傳編輯，獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。它如同基因表達(dá)的“調(diào)控開(kāi)關(guān)”，無(wú)需改動(dòng)DNA序列，而是通過(guò)在特定的基因組位點(diǎn)添加或移除表觀遺傳化學(xué)修飾，來(lái)精準(zhǔn)地調(diào)控目標(biāo)基因的“開(kāi)啟”或“關(guān)閉”。這種只改變基因修飾而不改變基因序列的方式，為基因治療的安全性提供了新的思路。
近期，鋅指蛋白和dCas9的表觀遺傳編輯療法已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大潛力，已有研究在小鼠和非人靈長(zhǎng)類(lèi)體內(nèi)成功抑制了PCSK9的表達(dá)，從而有效降低了血液中的膽固醇水平。PCSK9是調(diào)控血液中“壞膽固醇” （LDL-C）的關(guān)鍵蛋白，抑制它已成為預(yù)防和治療心血管疾病的重要策略。
然而，表觀遺傳編輯技術(shù)仍面臨其核心挑戰(zhàn)，如何維持調(diào)控效果的長(zhǎng)期穩(wěn)定？表觀遺傳修飾具有動(dòng)態(tài)可逆的特性，人工建立的表觀修飾在細(xì)胞不斷分裂的過(guò)程中可能會(huì)被稀釋或重置。現(xiàn)有研究對(duì)編輯工具的優(yōu)化有限，且大多只關(guān)注DNA甲基化這一機(jī)制。因此，系統(tǒng)性的優(yōu)化表觀遺傳編輯工具，并深入揭示其長(zhǎng)效作用的分子機(jī)制，是推動(dòng)該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用必須攻克的關(guān)鍵難題。
為打造一款性能最優(yōu)的表觀編輯器，研究團(tuán)隊(duì)在小鼠體內(nèi)對(duì)不同元件和結(jié)構(gòu)的版本進(jìn)行了系統(tǒng)性篩選。團(tuán)隊(duì)通過(guò)脂質(zhì)納米顆粒（LNP）將編碼編輯器的mRNA遞送至肝臟，直接比較各種版本對(duì)PCSK9基因的抑制效率（圖1a,b）。研究發(fā)現(xiàn)，特定元件（如人源DNMT3L、ZIM3 KRAB結(jié)構(gòu)域等）的引入能顯著提升效率。基于此，團(tuán)隊(duì)最終篩選出兩個(gè)優(yōu)勝版本：基于dCas9的 EpiReg-C 和基于TALE的 EpiReg-T。在與先前報(bào)道的基于鋅指蛋白的表觀編輯器及堿基編輯器ABE8.8的“同臺(tái)競(jìng)技”中，EpiReg-C和EpiReg-T均展現(xiàn)出顯著的的效率優(yōu)勢(shì)（圖1c）。
隨后，團(tuán)隊(duì)在多種模型中進(jìn)一步對(duì)比了EpiReg-C和EpiReg-T。結(jié)果表明，雖然在飽和劑量下兩者抑制效果相近，但EpiReg-T展現(xiàn)出更強(qiáng)的劑量敏感性，即在更低的劑量下就能達(dá)到強(qiáng)大的抑制效果（圖1d）。這一特性在非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物也得到了驗(yàn)證。
圖1 EpiReg的篩選和對(duì)比
鑒于EpiReg-T的低劑量高效優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)將其用于后續(xù)的長(zhǎng)期驗(yàn)證。為了驗(yàn)證這種基因沉默能否在細(xì)胞更新?lián)Q代中穩(wěn)定“遺傳”，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了小鼠2/3肝切實(shí)驗(yàn)（圖2a）。結(jié)果顯示，即使在肝細(xì)胞快速再生后，PCSK 9的抑制水平依然穩(wěn)定如初（圖2b）。此外，這種表觀抑制還具有“可逆性”這一關(guān)鍵安全特性。在實(shí)現(xiàn)PCSK9的深度抑制后，注射一種表觀激活工具，即可讓其表達(dá)水平恢復(fù)至初始狀態(tài)（圖2c）。
在最關(guān)鍵的非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，高劑量（2.25mg/kg）的EpiReg-T單次給藥便實(shí)現(xiàn)了約90%的PCSK9抑制和約60%的“壞膽固醇”降低，且在長(zhǎng)達(dá)343天的持續(xù)跟蹤中，藥效依然穩(wěn)定（圖2d,e）。在較低劑量下進(jìn)行重復(fù)給藥測(cè)試，也未引起嚴(yán)重的肝損傷，肝功能指標(biāo)的短暫波動(dòng)在7天內(nèi)即可恢復(fù)正常，安全性良好。
在分子機(jī)制層面，研究揭示了長(zhǎng)效沉默的秘密，EpiReg-T在靶基因調(diào)控區(qū)域同時(shí)建立了兩種抑制性“標(biāo)記”——DNA甲基化和組蛋白H3K27e3修飾，而多種促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的激活型修飾（H3K4me3、H3K9ac和H3K27ac）顯著下調(diào)（圖2f,g）。值得注意的是，對(duì)于通常認(rèn)為由KRAB結(jié)構(gòu)域引起的H3K9me3抑制性修飾，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其僅在給藥后第三天出現(xiàn)短暫升高，至第28天便與對(duì)照組無(wú)異。
圖2 EpiReg-T在小鼠和非人靈長(zhǎng)類(lèi)體內(nèi)驗(yàn)證
在安全性方面，全基因組范圍以及根據(jù)序列同源性預(yù)測(cè)的潛在脫靶位點(diǎn)測(cè)序分析證實(shí)， EpiReg-T即使在飽和劑量下也未引發(fā)顯著的脫靶效應(yīng)，展現(xiàn)了高度的靶向精確性。
總結(jié)而言，本研究通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出高效、持久且特異的表觀遺傳編輯器EpiReg-T。它在非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)了“一次給藥，長(zhǎng)期有效”的降血脂效果，并闡明了其協(xié)同分子機(jī)制。這項(xiàng)研究驗(yàn)證了EpiReg-T在精準(zhǔn)靶向、安全性及可逆性方面的優(yōu)異特性，為表觀基因療法從基礎(chǔ)研究走向臨床應(yīng)用鋪平了道路。
本研究通訊作者為中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心周昌陽(yáng)、孫怡迪研究員和安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院謝峻教授，共同第一作者包括益杰立科（上海）生物科技有限公司毛少帥、彭文博、馮爭(zhēng)艷、陳陽(yáng)、孫晶和安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院陳海婷，其中毛少帥和彭文博為中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心已出站博士后。
