CHARMed の共同研究により、致死的なプリオン病に対する強力な治療候補が誕生 | MIT ニュース

医薬品の開発は一般的に遅い。新薬の基礎となる基礎研究の発見から臨床試験、そして広く利用できる医薬品の生産に至るまでには、数十年かかることがある。しかし、現在致命的な病気を患っている人にとって、数十年は信じられないほど遠い未来に感じられるかもしれない。MITとハーバードのブロード研究所のシニアグループリーダーであるソニア・ヴァラブ氏は、時間との競争を痛感している。なぜなら、彼女の研究テーマは神経変性疾患であり、最終的には致命的な疾患、つまりプリオン病の一種である致死性家族性不眠症であり、年齢を重ねるにつれて彼女自身もほぼ確実にこの疾患を発症するからだ。

ヴァラブ氏と夫のエリック・ミニケル氏は、ヴァラブ氏がプリオンタンパク質遺伝子の病原性バージョンを保有しており、致死的なプリオン病には有効な治療法がないことを知った後、研究者に転向した。現在、2人はブロード研究所で研究室を運営し、これらの病気を予防および治療できる薬の開発に取り組んでいるが、成功の期限は助成金サイクルや学術的期待ではなく、ヴァラブ氏の遺伝子コードに潜む時限爆弾に基づいている。

だからこそ、ヴァラブはホワイトヘッド生物医学研究所のジョナサン・ワイスマンと共同研究を始めたとき、ワイスマンのグループが全力で研究することを好むことを知って興奮した。2年も経たないうちに、ワイスマン、ヴァラブ、そして彼らの共同研究者は、プリオンタンパク質遺伝子などの疾患原因遺伝子、さらには神経変性疾患やその他の疾患に関係する他の多くのタンパク質をコードする遺伝子をオフにできるCHARMと呼ばれる一連の分子ツールを開発し、人間の患者に使用するのに適した候補となるようこれらのツールを改良している。研究者が治療薬として機能しているかどうかを知るまでにはまだ多くのハードルを乗り越えなければならないが、チームはこれまでこの技術を開発してきたスピードに勇気づけられている。

「当初から、このコラボレーションの精神は、形式的な手続きを待つことではありません」とヴァラブ氏は言う。「このプロジェクトをやることにお互いが興奮していることに気づいた瞬間、すべてが動き出しました。」

共同責任著者のワイスマンとヴァラブ、共同筆頭著者のワイスマン研究室の大学院生エドウィン・ノイマン、ワイスマン研究室のポスドクであるテッサ・ベルトッツィは、CHARM（メチルトランスフェラーゼの自己阻害放出のための結合ヒストンテール）について説明している。 紙 本日ジャーナルに掲載された 科学。

「ホワイトヘッド研究所とブロード研究所が隣接しているため、意欲的な人々が学術科学と医療技術の追求に迅速かつ柔軟に取り組むには、ここより適した場所は他にないと思います」と、MITの生物学教授であり、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究員でもあるワイスマン氏は言う。「CHARMは、疾患遺伝子のサイレンシングの問題に対する優れた解決策であり、遺伝子医療の将来において重要な位置を占める可能性があります。」

遺伝病を治療するには、遺伝子を標的にする

プリオン病は、急速な神経変性と死につながり、プリオンタンパク質の変形によって発症します。これらは脳内で連鎖反応を引き起こします。欠陥のあるプリオンタンパク質は他のタンパク質を変形させ、これらのタンパク質が一緒になって正常な機能を停止するだけでなく、神経細胞を死滅させる有毒な凝集体を形成します。口語で狂牛病として知られる最も有名なプリオン病は感染性ですが、他のプリオン病は自然発生的に発症したり、欠陥のあるプリオンタンパク質遺伝子によって引き起こされることがあります。

従来の薬のほとんどは、タンパク質を標的にして作用する。しかし、CHARM はさらに上流に作用し、欠陥のあるタンパク質をコードする遺伝子をオフにして、そもそもそのタンパク質が生成されないようにする。CHARM は、標的遺伝子をオフにするか沈黙させるために DNA に化学タグを追加するエピジェネティック編集によってこれを実現する。遺伝子編集とは異なり、エピジェネティック編集は基礎となる DNA を変更するものではなく、遺伝子自体はそのまま残る。しかし、遺伝子編集と同様に、エピジェネティック編集は安定しており、CHARM によってオフにされた遺伝子はオフのままであるはずである。つまり、細胞のタンパク質レベルが補充されるにつれて定期的に服用しなければならないタンパク質標的薬とは対照的に、患者は CHARM を 1 回服用するだけで済むことになる。

動物実験では、プリオンタンパク質は健康な成人には不要であり、病気の場合、タンパク質を除去すると症状が改善するか、完全になくなることが示唆されている。まだ症状が出ていない人の場合、タンパク質を除去すると病気を完全に予防できるはずだ。言い換えれば、エピジェネティック編集は、遺伝性プリオン病などの遺伝子疾患の治療に効果的なアプローチとなる可能性がある。課題は、新しいタイプの治療法を生み出すことだ。

幸運にも、研究チームは CHARM の優れたテンプレートを持っていた。ワイスマンのグループが以前遺伝子のサイレンシング用に開発した CRISPRoff という研究ツールだ。CRISPRoff は、ツールをターゲット遺伝子に誘導するガイドタンパク質 Cas9 など、CRISPR 遺伝子編集技術の構成要素を使用する。CRISPRoff は、メチル基、つまり遺伝子が転写されるのを防ぐ化学タグ、つまり RNA に読み込まれるのを防ぐ化学タグを追加することで、ターゲット遺伝子をサイレンシングし、タンパク質として発現するのを防ぐ。研究者らが CRISPRoff のプリオンタンパク質遺伝子のサイレンシング能力をテストしたところ、効果的で安定していることがわかった。

しかし、その特性のいくつかは、CRISPRoff が治療のよい候補となることを妨げていた。研究者の目標は、CRISPRoff をベースに、同等の効力を持ちながら人間に使用しても安全で、脳に送達できるほど小さく、間違った遺伝子を抑制したり副作用を引き起こしたりするリスクを最小限に抑えるように設計されたツールを作成することだった。

研究ツールから医薬品候補へ

ニューマンとベルトッツィが率いる研究者たちは、新しいエピゲノムエディターの設計と応用に着手した。彼らが取り組まなければならなかった最初の問題はサイズだった。エディターは、パッケージ化して体内の特定の細胞に送達できるほど小さくなければならないからだ。人間の脳に遺伝子を送達するのは困難だ。多くの臨床試験では、遺伝子送達媒体としてアデノ随伴ウイルス（AAV）が使用されているが、これらは小さく、少量の遺伝子コードしか含むことができない。CRISPRoff は大きすぎる。Cas9 のコードだけで、利用可能なスペースのほとんどを占めてしまう。

ワイスマン研究室の研究者は、Cas9 をはるかに小さなジンクフィンガータンパク質 (ZFP) に置き換えることを決定しました。Cas9 と同様に、ZFP はツールを DNA 内のターゲット サイトに誘導するガイド タンパク質として機能します。ZFP は人間の細胞にもよく見られるため、細菌の Cas9 よりも自分自身に対する免疫反応を引き起こす可能性が低くなります。

次に、研究者たちはプリオンタンパク質遺伝子をサイレンシングするツールの部分を設計しなければなりませんでした。最初は、DNAにメチル基を追加する分子であるメチルトランスフェラーゼの一部、DNMT3Aを使用しました。しかし、ツールに必要な特定の構成では、この分子は細胞に対して毒性がありました。研究者たちは別の解決策に焦点を合わせました。治療の一環として外部のDNMT3Aを送達する代わりに、ツールは細胞自身のDNMT3Aをプリオンタンパク質遺伝子にリクルートすることができます。これにより、AAVベクター内の貴重なスペースが解放され、毒性が防止されました。

研究者たちは、DNMT3A を活性化する必要もありました。細胞内では、DNMT3A は特定のパートナー分子と相互作用するまで通常は不活性です。このデフォルトの不活性により、オンのままにしておく必要のある遺伝子が誤ってメチル化されるのを防ぎます。ニューマンは、DNMT3A のパートナー分子のセクションを組み合わせ、プリオンタンパク質遺伝子に導く ZFP にこれらを接続するという独創的な方法を思いつきました。細胞の DNMT3A がこの部分の組み合わせに遭遇すると、活性化して遺伝子をサイレンシングします。

「毒性と大きさの両方の観点から、細胞がすでに持っている機構を利用するのが理にかなっていました。それははるかに単純で、より洗練された解決策でした」とニューマン氏は言う。「細胞はすでにメチルトランスフェラーゼを常に使用しており、私たちは基本的に、通常はオンのままになっている遺伝子をオフにするように細胞を騙しているだけです。」

マウスでの試験では、ZFP誘導CHARMが脳内のプリオンタンパク質の80％以上を除去できることが示されましたが、以前の研究では、わずか21％の除去でも症状が改善することが示されています。

研究者たちは、強力な遺伝子サイレンサーができたとわかった後、オフターゲット効果の問題に取り組みました。細胞に送達された CHARM の遺伝子コードは、CHARM のコピーを無期限に生成し続けます。しかし、プリオンタンパク質遺伝子がオフになった後は、副作用が発生する時間が長くなるだけで、これには何の利点もありません。そこで、研究者たちはツールを微調整し、プリオンタンパク質遺伝子をオフにした後、ツール自体をオフにするようにしました。

一方、ブロード研究所の科学者であり協力者であるベンジャミン・デヴァーマンの研究室による補完的なプロジェクトは、脳全体への遺伝子送達と 出版された で 科学 5月17日に発表されたこの発表により、CHARM技術は臨床試験の準備に一歩近づきました。天然に存在するタイプのAAVはこれまでもヒトの遺伝子治療に使用されていましたが、成人の脳に効率よく進入できず、プリオン病のような脳全体の病気を治療することは不可能でした。デリバリーの問題に取り組むため、デバーマンのグループは、鉄を自然に脳に運ぶ経路を利用して、より効率的に脳に進入できるAAVベクターを設計しました。このような人工ベクターにより、CHARMのような治療法は現実に一歩近づきました。

これらの独創的な解決策のおかげで、研究者たちは、脳に送達できるほど小さく、細胞培養と動物実験で毒性が低く、オフターゲット効果が限られていることが判明した、非常に効果的なエピジェネティックエディターを手に入れました。

「このプロジェクトに参加できたことは光栄です。これほど短期間で基礎研究から治療への応用まで進むのは非常に稀なことです」とベルトッツィ氏は言う。「ワイスマン研究室のツール構築経験、ヴァラブとミニケル研究室の病気に関する深い知識、そしてデバーマン研究室の遺伝子送達に関する専門知識を活用したコラボレーションを構築したことが鍵だったと思います。」

将来に向けて

CHARM 技術の主要要素が解決されたため、チームは現在、臨床試験に必要な、より効果的で、より安全で、大量生産しやすいツールに微調整を行っています。すでにツールはモジュール化されており、さまざまな部品を交換できるため、将来の CHARM をゼロからプログラムする必要はありません。CHARM は現在、マウスの治療薬としてもテストされています。

基礎研究から臨床試験までの道のりは長く曲がりくねっており、研究者たちは、CHARM がヴァラブ病などのプリオン病や、同様の遺伝子要素を持つ他の病気の患者にとって実行可能な医療オプションになるには、まだ道のりが長いことを理解しています。しかし、強力な治療設計と有望な実験結果が手元にあるため、研究者たちは希望を抱く十分な理由があります。彼らは、いつかではなくできるだけ早く患者の命を救うことができるように、技術を開発することに全力で取り組んでいます。