基因回路能够更精确地控制基因治疗

为了帮助更精确地控制基因治疗，麻省理工学院的工程师们设计了一种新的控制电路，可以将基因表达水平保持在目标范围内。该方法可用于传递有助于治疗包括脆性X染色体综合征在内的疾病的基因。

　　

许多疾病是由单个基因的缺失或缺陷拷贝引起的。几十年来，科学家们一直在研究基因疗法，通过将缺失基因的新拷贝传递到受影响的细胞中来治愈这些疾病。

尽管做出了这些努力，但很少有基因疗法得到FDA的批准。开发这些治疗方法的挑战之一是如何控制新基因在细胞中的表达量——太少就不会成功，太多就会导致严重的副作用。

为了帮助实现更精确的基因治疗控制，麻省理工学院的工程师们已经调整并应用了一种控制电路，可以将表达水平保持在目标范围内。在人类细胞中，他们展示了他们可以使用这种方法来传递基因，这些基因可以帮助治疗包括脆性X综合征在内的疾病，脆性X综合征是一种导致智力残疾和其他发育问题的疾病。

“理论上，基因补充可以解决多种多样的单基因疾病，但如果你能控制得足够好，就有一个相对直接的基因治疗方案，”生物医学工程和化学工程W. M.凯克职业发展教授、这项新研究的高级作者凯蒂·加洛韦（Katie Galloway）说。

麻省理工学院的研究生凯西·洛夫是这篇论文的主要作者，该论文今天发表在《细胞系统》杂志上。该论文的其他作者包括麻省理工学院的研究生克里斯托弗·约翰斯通、艾玛·彼得曼和斯蒂芬妮·加格里昂，以及麻省理工学院生物工程副教授迈克尔·伯恩鲍姆。

提供基因

虽然基因疗法有望治疗多种疾病，包括血友病和镰状细胞性贫血，但迄今为止，只有少数治疗方法获得批准，用于遗传性视网膜疾病和某些血癌。

大多数基因治疗方法使用病毒来传递基因的新拷贝，然后将其整合到宿主细胞的DNA中。一些细胞可能会吸收很多基因拷贝，而另一些细胞则没有。

洛夫说：“这种有效载荷的简单过表达会导致目标基因的表达水平范围很广，因为它们占据了这些基因的不同数量的拷贝，或者只是有不同的表达水平。”“如果表达不够，那就违背了治疗的目的。但另一方面，表达水平过高也是一个问题，因为有效载荷可能是有毒的。”

为了克服这个问题，科学家们用不同类型的控制回路进行了实验，这些控制回路限制了治疗基因的表达。在这项研究中，麻省理工学院的研究小组决定使用一种称为非相干前馈回路（IFFL）的电路。

在IFFL电路中，靶基因的激活同时激活抑制基因表达的分子的产生。一种可以用来实现这种抑制的分子是microRNA——一种与信使RNA结合的短RNA序列，阻止它被翻译成蛋白质。

在这项研究中，麻省理工学院的研究小组设计了一个IFFL电路，称为“ComMAND”（紧凑的microRNA介导的噪声和剂量衰减器），以便在治疗基因中编码抑制mRNA翻译的microRNA链。microRNA位于一个被称为内含子的短片段中，当基因转录成mRNA时，内含子被剪接出来。这意味着每当基因被激活时，mRNA和抑制它的microRNA产生的数量大致相等。

这种方法允许研究人员只用一个启动子——基因转录开启的DNA位点——来控制整个ComMAND回路。通过交换不同强度的启动子，研究人员可以定制将产生多少治疗基因。

除了提供更严格的控制外，该电路的紧凑设计使其可以在单一的运载工具上携带，例如慢病毒或腺相关病毒，这可以提高这些疗法的可制造性。这两种病毒都经常被用来运送治疗物资。

加洛韦说：“其他人已经开发出了基于microRNA的非连贯前馈循环，但凯西所做的是把它全部放在一个转录本上，她表明，当你有不同的细胞递送时，这提供了最好的控制。”

精确控制

为了证明这个系统，研究人员设计了可以传递FXN基因的指令电路，这种基因在弗里德赖希共济失调中发生突变，这是一种影响心脏和神经系统的疾病。他们还传递了Fmr1基因，该基因的功能障碍会导致脆性X综合征。在对人类细胞的测试中，他们表明，他们可以将基因表达水平调整到健康细胞正常水平的8倍左右。

如果没有ComMAND，基因表达量是正常水平的50多倍，可能会带来安全风险。研究人员说，需要在动物模型上进行进一步的测试来确定最佳水平。

研究人员还在大鼠神经元、小鼠成纤维细胞和人类t细胞中进行了测试。对于这些细胞，他们传递了一个编码荧光蛋白的基因，这样他们就可以很容易地测量基因的表达水平。在这些细胞中，研究人员也发现，与没有环路相比，它们可以更精确地控制基因表达水平。

研究人员现在计划研究他们是否可以使用这种方法在一定程度上传递基因，以恢复正常功能并逆转疾病迹象，无论是在培养细胞还是动物模型中。

Love表示：“我们可能需要对表达级别进行一些调整，但我们了解其中的一些设计原则，所以如果我们需要调高或调低级别，我想我们可能知道如何去做。”

研究人员说，这种方法可以应用于其他疾病，包括Rett综合征、肌肉萎缩症和脊髓性肌萎缩症。

加洛韦说：“其中许多疾病的挑战在于，它们也是罕见疾病，所以患者人数不多。”“我们正试图建立这些强大的工具，这样人们就可以弄清楚如何进行调整，因为患者群体很小，而且没有很多资金来解决其中一些疾病。”

Model-guided design of microRNA-based gene circuits supports precise dosage of transgenic cargoes into diverse primary cells