2009年，正在哈佛法學(xué)院攻讀法律職業(yè)文憑的Sonia Vallabh迎來了人生的幸福時(shí)刻，她與正在麻省理工學(xué)院攻讀城市規(guī)劃與交通碩士的Eric Minikel走入了婚姻殿堂。但僅僅一年之后，一場重大變故徹底改變了這對(duì)新人的人生。
Vallabh的母親生病了。起初還只是視力模糊，但很快各種癥狀都纏上身，Vallabh母親的身體狀況急轉(zhuǎn)直下，她失去了行走能力，無法與人交流，無法進(jìn)食……在出現(xiàn)癥狀的僅僅10個(gè)月后，Vallabh的母親在恐懼中去世。但在這段時(shí)間內(nèi)，始終沒有人知道真正的病因是什么，直到尸檢報(bào)告告訴了Vallabh一個(gè)無比殘酷的結(jié)果。她的母親死于致死性家族性失眠癥（fatal familial insomnia）——一種遺傳性朊病毒病。在我們的大腦中，有一類被稱為朊病毒蛋白（prion protein，PrP）的細(xì)胞表面蛋白。正常情況下，PrP并不是什么壞角色，也不會(huì)造成健康后果。然而，一旦PrP改變構(gòu)象，“多米諾骨牌”開始倒下了。錯(cuò)誤折疊的PrP會(huì)形成有毒的聚集體，然后在大腦內(nèi)擴(kuò)散傳播，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡，這類致命且無法治愈的疾病就是朊病毒病。我們最熟悉的朊病毒病是具有傳染性的瘋牛病；除此之外，另一些朊病毒病也可以由基因突變引起，Vallabh母親患上的致死性家族性失眠癥就是PRNP D178N基因突變的結(jié)果。PRNP D178N突變屬于常染色體顯性遺傳，這意味著Vallabh有50%的概率繼承這個(gè)致命基因。是將這樣的擔(dān)憂藏在心里，還是主動(dòng)去了解自己的命運(yùn)？一年之后，Vallabh選擇拋出這枚決定命運(yùn)的硬幣。基因檢測的結(jié)果是，Vallabh也攜帶了PRNP D178N突變。也就是說，Vallabh背上了一枚可能在人生任何階段“引爆”的“定時(shí)炸彈”，沒有人可以預(yù)測疾病發(fā)作的時(shí)間，但癥狀一旦出現(xiàn)，病情進(jìn)展將極為迅速，那時(shí)等待Vallabh的只能是死亡的結(jié)局。面對(duì)這樣被“將死”的局面，對(duì)于毫無生物醫(yī)學(xué)背景的Vallabh來說，最合乎常理的做法自然是繼續(xù)自己的工作與生活，同時(shí)期待朊病毒領(lǐng)域的療法突破——畢竟，雖然算不上熱門領(lǐng)域，但全球范圍內(nèi)還是有一些科學(xué)家在研究朊病毒病。如果運(yùn)氣好，Vallabh還有幾十年的時(shí)間來等待。但為了與時(shí)間賽跑，Vallabh和丈夫Minikel共同選擇了一條試圖逆天改命的道路——自己研究朊病毒病，尋找照亮自己，同時(shí)拯救更多患者的道路。2012年，Vallabh和Minikel辭去了工作，從零開始學(xué)習(xí)生物學(xué)，并在馬薩諸塞州總醫(yī)院找到了第一份基礎(chǔ)的研究工作。很快他們意識(shí)到，還需要更多科學(xué)知識(shí)才能有機(jī)會(huì)成功。2014年，兩人同時(shí)申請(qǐng)到著名的博德研究所讀博，他們?cè)?年后畢業(yè)，并在博德研究所組建了自己的實(shí)驗(yàn)室，開始對(duì)罕見的朊病毒病的研究。與一些科學(xué)家將基金周期作為研究時(shí)間期限不同，他們的期限是Vallabh體內(nèi)隨時(shí)啟動(dòng)的“炸彈”倒計(jì)時(shí)。令人驚嘆的是，這對(duì)半路出家的科學(xué)家在研究上很快就取得了進(jìn)展。2019年，這對(duì)夫妻與合作者在PNAS雜志上提出了利用現(xiàn)有工具監(jiān)測腦脊液中PrP水平的新策略；一年后，他們更是在Nucleic Acids Research雜志上提出，通過反義寡核苷酸（ASO）介導(dǎo)，即使是不足25%的PrP抑制，也可以延長感染朊病毒小鼠的生存期并延遲疾病發(fā)作。值得一提的是，目前這款基于ASO的候選藥物ION717正處于臨床試驗(yàn)階段。與此同時(shí)，Vallabh和Minikel也沒有停下探索的腳步。與Whitehead生物醫(yī)學(xué)研究所的Jonathan Weissman教授合作，這對(duì)夫妻的又一項(xiàng)研究突破登上了近期的《科學(xué)》雜志！這支研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一款名為CHARM的表觀遺傳編輯工具，其可以沉默整個(gè)大腦中編碼PrP的基因，為致命朊病毒病以及其他由有害蛋白聚集引起的神經(jīng)退行性疾病患者提供了潛在的治療策略。這項(xiàng)研究的起點(diǎn)，要追溯到2021年時(shí)，Weissman在《細(xì)胞》雜志發(fā)表的一款基因沉默工具——CRISPRoff。要抑制PrP的生成，一個(gè)思路就是沉默目標(biāo)基因。而CRISPRoff使用CRISPR基因編輯技術(shù)的構(gòu)建模塊，并利用Cas9核酸酶實(shí)現(xiàn)目標(biāo)DNA的切割，將編輯器引導(dǎo)至目標(biāo)基因。CRISPRoff包含一個(gè)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域（DNMT3A），可以通過定點(diǎn)甲基化的表觀遺傳修飾對(duì)目標(biāo)基因?qū)崿F(xiàn)長期的沉默。此前的研究證實(shí)了CRISPRoff可以穩(wěn)定、有效地沉默編碼PrP的基因。不過，CRISPRoff的幾個(gè)缺陷還是限制了它的應(yīng)用。首先是尺寸問題。我們知道腺相關(guān)病毒（AAV）是向大腦遞送藥物的常用載體，和任何“貨輪”一樣，它們能裝載的“貨物”大小是有限的。不幸的是，Cas9蛋白就屬于大型貨物，無法用單個(gè)AAV載體進(jìn)行遞送。因此，妥協(xié)方案只能是加大劑量、用多個(gè)AAV載體進(jìn)行裝載，但這又會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞毒性增加。另一個(gè)問題是，CRISPRoff編輯器的長期表達(dá)會(huì)帶來有害免疫反應(yīng)以及脫靶效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，Weissman與Vallabh、Minikel合作的目標(biāo)，就是打造出不僅同樣有效，并且體積足夠小、足夠安全，能最大限度避免基因沉默時(shí)出錯(cuò)的新型編輯工具。首先要解決的就是尺寸問題。CRISPRoff使用的Cas9太大了，研究團(tuán)隊(duì)的解題方案是放棄CRISPR，轉(zhuǎn)而創(chuàng)建了一種基于鋅指蛋白（ZFP）的表觀基因組編輯器“ZFPoff”。其中，鋅指蛋白扮演了Cas9的角色，引導(dǎo)編輯工具抵達(dá)目標(biāo)基因。由于體積小得多，單個(gè)AAV就能實(shí)現(xiàn)對(duì)新型編輯器的遞送。同時(shí)，由于鋅指蛋白常見于人類細(xì)胞，因此也無需擔(dān)心自身免疫反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。解決了遞送問題后，下一個(gè)挑戰(zhàn)是如何進(jìn)行基因沉默。由于CRISPRoff添加的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域DNMT3A會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性，在這里研究人員想到了另一種策略——不再是從外部運(yùn)送DNMT3A，而是直接招募細(xì)胞自身的內(nèi)源性DNMT3A，從而在避免細(xì)胞毒性的同時(shí)還進(jìn)一步減少了載荷。DNMT3A本身是無活性的，接下來研究團(tuán)隊(duì)還提出了在目標(biāo)位點(diǎn)激活DNMT3A的巧妙策略。他們將DNMT3A的伴侶分子組合后連接到鋅指蛋白上，而鋅指蛋白會(huì)抵達(dá)目標(biāo)PrP基因，因此內(nèi)源性的DNMT3A就會(huì)在遇到目標(biāo)基因時(shí)被激活，起到沉默基因的作用。最后，這項(xiàng)研究還解決了此前CRISPRoff存在的脫靶問題。在他們的設(shè)計(jì)中，其中一個(gè)編輯器靶向AAV載體中的啟動(dòng)子，因此新型編輯器在完成基因沉默的任務(wù)后，可以自行關(guān)閉所有編輯器的表達(dá)、實(shí)現(xiàn)自我沉默，從而避免了編輯工具長期表達(dá)可能導(dǎo)致的不利影響。以上，就是Vallabh等人交上的一份名為CHARM（全稱為Coupled Histone tail for Autoinhibition Release of Methyltransferase）的漂亮答卷。在小鼠實(shí)驗(yàn)中，CHARM可以敲低全腦中80%以上的PrP表達(dá)，遠(yuǎn)超改善癥狀所需的PrP抑制幅度。要知道，在Vallabh等人之前的研究中，不足25%的PrP抑制已經(jīng)能夠起效。此外，CHARM編輯器在沉默目標(biāo)基因后實(shí)現(xiàn)了自我沉默，并且沒有導(dǎo)致細(xì)胞毒性以及其他不利影響。對(duì)于這項(xiàng)可能帶來革命影響的工具，同期的觀點(diǎn)文章評(píng)論道：CHARM的開發(fā)引入了一種有效且安全的編輯技術(shù)，其可通過AAV遞送至大腦等難以靶向的器官，從而實(shí)現(xiàn)基因沉默。盡管通過甲基化實(shí)現(xiàn)基因沉默的持久性仍有待確認(rèn)、基因沉默可能僅對(duì)部分疾病有用，但CHARM等表觀遺傳編輯器最終可能對(duì)人類健康產(chǎn)生類似于堿基編輯、先導(dǎo)編輯等工具的巨大影響。研究團(tuán)隊(duì)指出，目前他們正在對(duì)CHARM進(jìn)行調(diào)整，并且實(shí)現(xiàn)了工具的模塊化，進(jìn)一步提升其有效性、安全性以及進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的能力。從實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究到最終療法，總是伴隨著漫長而曲折的道路。對(duì)于Vallabh來說，這支“懸頂之劍”還沒有被取下，這場與時(shí)間賽跑，拯救自己以及更多患者的比賽也沒有理由止步。正如Vallabh此前在博德研究所網(wǎng)站上寫的那樣：
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