在人类出生后的几十年间，特别是当其处于大脑发育和成熟阶段时，大脑将对外部环境表现出更高的敏感度。早期相关研究指出，青春期的暴饮暴食将会改变大脑中的表观基因组变化，在此之后，个体出现心理健康问题的可能性也将大大提高。
为了改善并解决后天变化对于健康状况的影响，近年以来，表观遗传组学及相关研究进展为这一目标的实现提供了可能。研究团队使用基于 CRISPR-dCas9 的基因编辑调控工具，调整成年大鼠脑部中与早期基因（SARE）活性相关的 Arc 基因激活区的表观遗传修饰，以此 “恢复大脑出厂设置”， 改善焦虑和酗酒行为。该研究由伊利诺伊大学精神病学教授兼酒精研究中心主任 Subhash Pandey 教授领导，长期以来，Pandey 专注于研究早期暴饮暴食对于晚年健康的影响。据其介绍：“早期酗酒会对大脑产生持久并且显著的影响，而这项研究结果证明，基因编辑将是这些不良影响的潜在解药。”来自国内表观遗传学及疗法研究公司，赛岚医药的联合创始人兼首席执行官吴海平博士告诉生辉：“目前来说，表观遗传编辑相关疗法的研究普遍处于早期阶段。不过，随着 mRNA 技术和新型病毒载体技术的发展，该领域疗法已经获得快速推进。结合当前众多疾病的发生发展机制获得进一步解析，特别是对于肿瘤、遗传疾病以及中枢神经系统疾病等，一旦在临床上取得突破，将会获得巨大的发展机会。”使用 CRISPR “重置” 脑内的焦虑及酗酒开关在此前的研究中，研究团队已经发现，青春期酗酒会改变 Arc 基因激活区的表观遗传修饰，并降低啮齿类动物和人类杏仁核中的 Arc 基因表达 —— 虽然更具体的机制尚不清楚，但可以明确的是其将导致个体成年后更易患焦虑症和酗酒。值得注意的是，杏仁核（amygdala）是产生、识别和调节情绪，以及控制学习和记忆的脑部组织，同时也是是调节酒精使用障碍 （AUD） 和焦虑障碍的关键大脑区域。图丨模型显示青少年酒精暴露会在 CeA 中产生表观遗传重编程（来源：Science Advances）而在最新研究中，研究人员通过实验表明，这种将终生存在的表观遗传变化在大鼠模型中可以通过 CRISPR-dCas9 介导的基因编辑来逆转。首先，研究人员让大鼠在相当于人类 10-18 岁左右时间歇性地接触酒精，然后使用 CRISPR-dCas9 作为基因编辑调控工具，操纵实验室大鼠 Arc 基因中的组蛋白乙酰化和甲基化过程。研究团队将 dCas9 连接到组蛋白乙酰转移酶 P300（dCas9-P300）以便定向修改表观基因组区域。并使用慢病毒载体递送用于靶向 Arc SARE 的单向导 RNA（sgRNA），以定向注射的方式完成实验。在此之后，使用迷宫测试来测量焦虑水平，以及选择行为测试来考察大鼠的酒精成瘾状况。实验表明，在 Arc SARE 中使用 dCas9-P300 对组蛋白进行靶向乙酰化，乙酰化过程会导致染色质松散并允许转录因子与 DNA 结合，将 Arc 表达增加到正常水平，同时减少了焦虑迹象并降低了动物的饮酒量。图丨 dCas9-P300 与 sgRNA 逆转成年期由于青少年酒精暴露导致的表观遗传和行为后果（来源：Science Advances）
另一方面，研究小组还构建了 dCas9 与基因抑制元件 KRAB 的融合蛋白。通过 dCas9-KRAB 靶向增加 Arc 基因的甲基化能够降低（未接触酒精的）正常对照大鼠杏仁核中的 Arc 基因表达，作为结果，这些对照大鼠的焦虑和饮酒行为也增加了。Pandey 对此总结道：“该实验结果表明，杏仁核中的表观基因组编辑可以改善青少年酒精暴露后的成人精神病理学。”“这项研究不仅帮助我们更好地了解大脑在暴露于高浓度酒精时会发生什么，更重要的是为焦虑症和酒精使用障碍等多方面疾病的治疗提供了潜在的可能，”Pandey 认为，“这种效应双向验证了杏仁核中 Arc 增强子基因在青少年暴饮暴食后的表观遗传重编程中的重要性。”长期风险、载体优化等问题仍待进一步研究近年以来，借助基因编辑工具的进展，表观遗传组学以及相关研究获得了极大推进。借鉴了经典基因组编辑工具的 CRISPR-dCas9，其并不会切割并且改变 DNA 序列，只是改变它们在细胞中的表达，这在很大程度上能够避免与基因编辑相关的细胞毒性发生。图丨位于目标 DNA 的典型 dCas9（来源：The CRISPR Journal）
例如，部分表观遗传基因沉默可以通过添加甲基化标签来实现 —— 对于 DNA 链的化学修饰将导致 RNA 聚合酶无法读取遗传信息。另一方面，与永久性的基因组编辑不同，表观遗传编辑可以通过各种工程构建体（包括 FIRE-Cas9 系统或 CRISPRon/CRISPRoff 系统等）实现短暂或持久性的影响，从而实现更高的治疗灵活性。吴海平介绍道：“表观遗传编辑调控在目标基因转录前即可执行，并且在完整的基因调控与生理学研究基础之上，能够对目标基因表达分别实现上调或下调，其治疗的灵活性、可控性十分可观。”尽管技术上已有很大进步，然而，当前阶段大多数的位点特异性表观遗传编辑进展仍集中于基础研究阶段。“一方面，该领域疗法必须依赖对于所调控基因在疾病和正常生理活动中完整且深入的生物学机理研究。众所周知的是，目前人类已完成的相关课题并不多。”吴海平表示，通常情况下，治疗首选是对于正常生理活动无影响的基因。考虑到本次研究的目标人群仍处于青壮年，本身并无其他疾病风险，因此开展基因层面的治疗更须谨慎。不过，该类疗法优势在于能够有效避免手术创伤，起效较快，并且丰富了临床医生对于治疗手段与剂量的选择。在此之前，已有部分先进公司针对于中枢神经系统的基因编辑疗法部署了相应管线。其中最为普遍的难题之一在于，尚未完全了解如何以可预测的稳定方式从一种表观遗传状态转变为另一种表观遗传状态，其治疗的稳定性、潜在风险仍需进一步考察。吴海平介绍道：“特别是神经细胞很多已经不再分裂，因此，即便是不改变 DNA 序列的表观遗传疗法，对于神经细胞而言可能仍可视为长期效应，需要评估长期风险因素。另外给药方式也将是限制因素之一，可能仍然需要采取注射的手段。”“另一方面，类似于基因编辑疗法，表观遗传编辑技术同样需要对使用载体进行筛选及优化工作。” 吴海平表示。例如本次研究中使用的慢病毒载体（lentiviral vector），仍然存在整合到基因组的可能，因此其可能不是最佳选择。理论上看，如果能通过更为安全的载体或 mRNA 等技术实施，其或将能够应用到广泛的适应症群体。“与此类似，包括载体类型、导入的表观因子种类与改造、剂量选择、目标细胞精准定位、长期风险因素、免疫系统反应、分子标记物等等，可以看到，表观遗传学疗法中还存在很多技术难题亟待解决。”
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