Alzheimer’s病中基于CRISPR-Cas的表观基因组编辑：通过光诱导蛋白质递送系统优化的工程外泌体

2024-08-22 Thu
工程化外泌体光诱导蛋白阿尔茨海默病 CRISPR-Cas 表观基因组编辑给药系统记忆改善
Alzheimer’s病中基于CRISPR-Cas的表观基因组编辑：通过光诱导蛋白质递送系统优化的工程外泌体背景介绍阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）是一种常见的神经退行性疾病，特征是认知功能和记忆力逐渐下降，而目前对该疾病的治疗方法仍然有限。基因组编辑技术，如CRISPR-Cas9，和表观基因组编辑技术在治疗各种疾病中展示出巨大的潜力。然而，将这些功能性蛋白质高效地递送到细胞内部一直是一个巨大的挑战。外泌体是由细胞自然分泌的纳米级囊泡，可以作为递送治疗性生物分子的载体，具有稳定性、高生物相容性和低免疫原性等优势。
研究来源本文发表在2024年8月7日的《Science Translational Medicine》上，题为“Engineered Exosomes with a Photoinducible Protein Delivery System Enable CRISPR-Cas–Based Epigenome Editing in Alzheimer’s Disease”。这项研究由Jihoon Han、Jae Hoon Sul、Jeongmi Lee等人完成，隶属于Sungkyunkwan University和其他几所研究机构。
研究流程外泌体的工程化和光诱导蛋白质释放系统工程外泌体的设计：
研究团队设计了一种称为mMaple3介导的蛋白质装载和释放系统（MAPLEX）。这个系统通过将cargo protein（目标蛋白）与光可切割蛋白（mMaple3）和外泌体膜标记（如CD9）融合，将cargo protein装载到外泌体中。
mMaple3在405nm的蓝光照射下可被切割，从而释放cargo protein。
细胞内实验：
在体外实验中，研究人员首先将转录因子神经八聚体结合蛋白4（Oct4）和性别决定区Y-box 2（Sox2）递送到纤维母细胞中，观察其转录调控功能。
荧光成像和免疫印迹结果显示，该系统能够高效地将蛋白质从外泌体中释放，并成功进入受体细胞并在核内行使功能。
小鼠体内实验：
在体内实验中，研究人员将Cre重组酶递送到Cre报告基因小鼠中，验证其基因重组功能。通过静脉注射和鼻腔给药，确认了该系统能够高效地递送Cre蛋白进行基因重组。
表观基因组编辑：
最后，研究团队在阿尔茨海默病小鼠模型（5xFAD和3xTg-AD）中进行实验，将靶向β-淀粉样前体蛋白裂解酶1（BACE1）启动子的单导RNA（sgRNA）嵌入去活化的Cas9（dCas9）核酸蛋白复合体中，通过鼻腔给药实现了表观基因组编辑。
结果显示，基因组特定位点的DNA甲基化水平显著增加，BACE1表达降低，小鼠的认知记忆缺陷得到改善，Aβ病理特征减少。
研究结果靶向蛋白质递送：
研究团队通过蓝光诱导实现了精准的蛋白质释放，mMaple3在光照下被切割，使cargo protein从外泌体中释放出来。
荧光成像证明了蛋白质被成功递送到细胞核内并行使其调控功能。
基因重组：
Cre重组酶成功递送到Cre报告基因小鼠的肝脏，荧光成像显示tdTomato基因表达，证明了基因重组的成功。
鼻腔给药也成功将Cre递送到大脑特定部位，说明MAPLEX系统能有效跨越血脑屏障。
表观基因组编辑：
MAPLEX系统成功递送了带有sgRNA的dCas9-D3A复合体，提高了BACE1启动子的甲基化水平。
组内和组间实验均显示BACE1表达量降低，并且阿尔茨海默病小鼠模型中Aβ病理特征减少，认知功能改善。
研究的意义和价值这项研究首次展示了利用工程化外泌体和光诱导蛋白质释放系统在阿尔茨海默病模型中实现表观基因组编辑的成功案例。这不仅为阿尔茨海默病的治疗提供了新的思路，还展示了MAPLEX系统在其他疾病治疗中的潜力。通过该系统可以实现高效、精准的蛋白质递送，这对于未来的基因编辑和表观基因组编辑有重要的应用价值。
研究亮点创新性的蛋白质递送系统:
利用mMaple3结合光诱导蛋白质释放，解决了传统蛋白质递送方法中的包载和释放难题。
多功能应用：
该系统不仅能递送转录因子，还能实现基因重组和表观基因组编辑，为未来多种疾病的治疗提供了可能。
跨越血脑屏障：
鼻腔给药成功将蛋白质递送到脑部，为神经系统疾病的治疗提供了新的方法。
这篇论文通过创新性的光诱导蛋白质递送系统，实现了对阿尔茨海默病小鼠模型的表观基因组编辑，展示了其广泛的应用潜力和重要的临床转化前景。