Nat Rev Drug Discov丨重塑基因表达的“软件”：表观遗传编辑技术如何革新疾病治疗|dna|位点|免疫|原性|特异性|疾病治疗|编辑技术|表观

撰文| Qi

短短十年间，表观遗传编辑领域便完成了从概念验证到临床研究的跨越。这些研究证实，多种疾病不仅与基因表达的整体改变相关，还与 DNA / 组蛋白的表观遗传修饰密切关联。目前，美国食品药品监督管理局（ FDA ）已批准十款表观遗传药物上市，另有数十种候选药物处于研发阶段。然而，这类药物虽对部分血液系统恶性肿瘤具有疗效，却存在作用范围广、效果短暂的缺陷，且伴随毒副作用，这些问题限制了其大规模临床应用。相比之下，在特定基因组位点上对表观遗传修饰进行可控编辑，不会改变 DNA 序列本身，能够稳定地重编程靶基因的表达模式，为疾病治疗提供了全新思路。

近年来，多项在动物模型中开展的体内研究证实，表观遗传编辑能够实现持久且高效的治疗性基因沉默，其效果可与 CRISPR 基因敲除技术相媲美，这一成果进一步引发了业界对该技术的关注热潮。全球首个表观遗传编辑疗法临床试验于 2022 年正式启动，该试验所采用的药物为 Omega Therapeutics 公司研发的 OTX-2002 ，一款由脂质纳米颗粒（ LNPs ）递送的 mRNA 编码型表观遗传修饰剂，其设计目标是降低肝细胞癌及其他 MYC 基因相关实体瘤中癌基因 MYC 的表达水平。此后陆续有多家公司开展临床试验，以验证表观遗传修饰剂在疾病中的疗效。

当前，表观遗传编辑疗法的研发速度已经超过了人类对表观遗传调控机制的认知水平，这一现状可能导致部分疗效欠佳的候选药物被直接推进早期临床试验。事实上，实现简便、高效、持久且可逆的表观遗传编辑所需的操作准则与技术工具，目前仍处于探索阶段，且其效果很可能具有环境依赖性。此外，表观遗传编辑技术的安全临床转化，还将面临与 DNA 编辑技术类似的挑战，其中递送系统的优化是亟待解决的核心问题之一。

近日，来自荷兰格罗宁根大学的Marianne G. Rots团队等在NatureReviewsDrug Discovery杂志上发表了一篇题为Epigenetic editing: from concept to clinic的综述，他们在此文中阐述了该领域从概念到临床的飞速发展：从早期锌指蛋白和TALE工具，到被CRISPR-dCas9平台革命性推动；从在培养细胞中验证概念，到在动物模型中成功治疗高胆固醇血症、成瘾、阿尔茨海默病等多种疾病；从面临效率、特异性、可及性和稳定性四大挑战，到通过效应域组合、递送系统优化逐步攻克难关。

一、回顾历史：研究工具的飞速发展

表观遗传编辑可通过两种方式激活基因表达：一是写入能够招募转录机器或提高染色质可及性的激活型表观遗传修饰；二是擦除具有基因沉默作用的抑制型表观遗传修饰。而通过写入抑制型修饰实现的表观遗传编辑，其沉默基因表达的作用机制主要有两种：直接阻碍转录因子与靶 DNA 序列的结合，或通过促进染色质浓缩来限制转录相关蛋白的招募。

要实现这一目标，表观遗传编辑工具应具备一个分子量小、无免疫原性且可灵活编程的基因特异性 DNA 结合结构域（ DBD ），该结构域需与一个或多个表观遗传效应结构域相融合，且仅能在靶向位点直接 “ 写入 ” 或 “ 擦除 ” 表观遗传修饰。锌指蛋白是最早的工程化定位工具，每个锌指模块识别 3-4 个碱基，通过串联多个模块实现特异性结合，优点是体积小、免疫原性较低。 TALE 蛋白来自植物病原菌，每个 TALE 重复单元识别一个特定碱基，设计比 ZFPs 更直观，优点是模块化程度高，特异性好。 CRISPR-dCas9 则是革命性的游戏规则改变者，失活核酸酶的 Cas9 与向导 RNA 配对，通过碱基互补原则靶向 DNA 。优点是设计极其简便、成本低廉、易于多重编辑。尽管其体积较大，但已成为最主流的平台。 “ 写入器 ” 如 DNMT3A/3L 可向 DNA 写入甲基化， p300 向组蛋白写入乙酰化，“ 擦除器 ” 如 TET1 可擦除 DNA 甲基化， LSD1 擦除组蛋白甲基化，将这些催化域直接与 DBD 融合，能在靶点直接、特异地改写表观标记。

图 1. 直接型（左图）与间接型表观遗传编辑工具的对比示意图

二、攻克四大挑战：从质疑到验证

当 “ 表观遗传编辑 ” 这一术语首次被提出时，表观遗传学领域仍处于向独立学科发展的阶段，而彼时学界普遍认为，将表观遗传编辑技术转化至临床应用是不切实际的。最初的担忧主要集中在四个方面：第一，直接表观遗传编辑工具通过 “ 写入 ” 或 “ 擦除 ” 表观遗传标记，在调控内源基因表达方面是否具备充分性与有效性；第二，该技术能否达到临床应用所需的位点特异性；第三，表观遗传沉默基因通常高度压缩于 “ 闭合 ” 异染色质中，这类基因是否可被表观遗传编辑工具靶向结合；第四，诱导性表观遗传重编程的效果能否保持稳定。

1. 效率与充分性 —— 改写标记就足以改变基因表达吗？

早期研究在合成报告基因上证明，靶向添加 H3K9me3 或 DNA 甲基化可沉默基因，而添加组蛋白乙酰化或进行 DNA 去甲基化可激活基因。关键突破在于对内源致病基因的调控。例如，用 ZF-DNMT3A 沉默乳腺癌中的 SOX2 基因，或用 TALE-TET1 激活前列腺癌中的 CRMP4 基因，证明了其治疗潜力。效果并非放之四海而皆准，它取决于靶基因的染色质环境、细胞类型以及原有的转录因子网络。例如，在活跃转录的基因启动子处添加 DNA 甲基化更容易引发沉默。

2. 位点特异性 —— 如何避免 “ 脱靶 ” 编辑？

可通过对 ZFPs 和 TALEs 的优化设计来实现高特异性。 CRISPR 则通过优化 sgRNA 序列、使用高保真变体、化学修饰 sgRNA 等策略减少脱靶结合。一些催化域本身具有广谱活性或毒性，解决方案包括使用截短的催化核心域而非全长蛋白，或对效应域进行理性工程改造。

3. 可及性 —— 能打开 “ 紧闭 ” 的染色质吗？

早期担忧异染色质区域会物理阻碍编辑器的结合。然而，大量研究表明，无论是间接还是直接编辑器，都能成功激活被表观沉默的基因。虽然异染色质会减慢结合和编辑动力学，但并非不可逾越的屏障，联合使用转录激活因子或表观药物预处理，可进一步提高对沉默位点的编辑效率。

4. 稳定性 —— 效果能维持多久？

理想情况是，编辑器短暂表达后，其诱导的表观重编程能被细胞记忆并维持。成功案例比如 DNA 甲基化介导的沉默：在高胆固醇血症的动物模型中，单次注射靶向 PCSK9 基因的编辑器，能在肝脏中诱导持久的 DNA 甲基化和基因沉默，效果维持近一年，且可被去甲基化编辑器逆转。如果将 KRAB 与 DNMT3A/3L 组合，能同时建立组蛋白抑制标记和 DNA 甲基化，形成更稳固的表观记忆。在部分位点（如印记基因区域），靶向 TET1 移除 DNA 甲基化也能实现长期的基因再激活。需要注意的是，维持的持久性高度依赖于基因位点、细胞类型和效应域组合。激活的维持通常比沉默更具挑战性。

图 2. 表观遗传编辑需考量的关键因素

三、动物模型的捷报：从概念到疗法的实证

表观遗传编辑的疗效已在多种疾病模型中得到验证。体内治疗性递送案例如治疗高胆固醇血症，简而言之，使用 LNP 递送靶向 PCSK9 的 mRNA 编码的编辑器，在大小鼠和灵长类动物中均实现了持久、可逆的胆固醇降低；在成瘾、抑郁小鼠模型中，向大脑特定核团递送靶向 FosB 或 Cdk5 等关键基因的 ZF-G9a 编辑器，通过增加 H3K9me3 抑制标记，能有效干预可卡因奖赏、应激和攻击行为。此外，利用慢病毒或外泌体递送靶向 App 或 Bace1 基因的 dCas9-DNMT3A ，或靶向 Cathepsin D 基因的 dCas9-TET1 ，能减轻大脑 β 淀粉样蛋白病理，改善记忆缺陷。

四、临床转化

目前，全球至少有 14 家生物技术公司正在开发表观遗传编辑疗法，聚焦于癌症、遗传病、病毒感染等领域。 Omega Therapeutics 率先进入临床，其疗法 OTX-2002 利用 ZF-MQI+KRAB 编辑器靶向沉默 MYC 癌基因，用于治疗肝细胞癌等实体瘤。 Tune Therapeutics 针对慢性乙肝，利用 CRISPR 编辑器靶向沉默病毒 cccDNA 和整合 DNA 上的基因，已启动临床试验。 Epicrispr Biotechnologies 针对面肩肱型肌营养不良症，使用更小的 dCas12f 编辑器靶向 DUX4 基因，已开始临床试验。此外，多家公司目前也正针对阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症、罕见疼痛综合征等开发相应疗法。

五、关键瓶颈与突破：递送技术

将庞大的编辑器精准、高效、安全地送入目标细胞，是临床转化的最大挑战之一。腺相关病毒因其较低的免疫原性和长期表达特性被广泛应用，但其承载容量有限，难以容纳大型编辑器。慢病毒容量更大，但存在整合风险。非病毒载体如脂质纳米颗粒已经在 COVID-19 mRNA 疫苗中大放异彩，它能高效封装并递送 mRNA 编码的编辑器，实现瞬时表达，完美契合 “ 命中即走 ” 策略，且可重复给药。 OTX-2002 和高胆固醇血症疗法均采用此路径。外泌体是天然的细胞间通信囊泡，可作为低免疫原性的递送载体，尤其适合穿越血脑屏障。此外，直接递送编辑器蛋白与 sgRNA 的核糖核蛋白复合物，作用快、无基因整合风险，但体内递送效率有待提高。

六、结论与展望

表观遗传编辑领域在短短十年间，完成了从 “ 概念是否可行 ” 到 “ 临床如何优化 ” 的惊人跨越。它已证明自己是一种强大、精准且用途广泛的工具，既能用于基础研究以解析表观遗传的因果逻辑，更具备变革疾病治疗的巨大潜力。其核心优势在于持久性与可逆性、规避传统基因编辑导致的 DNA 双链断裂 / 染色体易位等潜在风险，以及实现基因的精细调控等。未来需要开发更小、更高效、更特异的效应域和 DBD 组合，并优化递送系统，提高靶向性和安全性。从早期临床试验中积累安全性与有效性数据，探索更广泛的疾病适应证。总而言之，表观遗传编辑正在开启一个全新的治疗时代 —— 一个我们不仅可以修复基因的 “ 硬件故障 ” ，还能重编程其 “ 软件运行 ” 的时代。

https://doi.org/10.1038/s41573-025-01323-0

制版人：十一

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