Science：利用人工智能设计隐秘剪接，治疗渐冻症等神经退行性疾病

来源：生物世界 2024-10-07 10:31

该研究开发了一种针对肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞痴呆症（FTD）的精准医学方法——TDP-REG，利用细胞中TDP-43功能丧失（TDP-LOF）时发生的隐秘剪接事件，以在病变细胞中特异性表达。

RNA结合蛋白TDP-43的功能丧失（TDP-LOF）是肌萎缩侧索硬化症（ALS，也叫做渐冻症）和额颞叶痴呆（FTD）等神经退行性疾病的标志性特征，因此，被认为是一个有希望的治疗靶点。

TDP-43在调控mRNA剪接过程中发关键作用，保护转录组免受有毒的 隐秘外显子 （Cryptic Exon，CE）的影响，这些隐秘外显子在健康细胞中很少被检测到，但在TDP-43缺失时会明显表达。隐秘外显子通常会在转录本中引入提前终止密码子（PTC），从而阻止包括STMN2和UNC13A在内的关键蛋白质的表达。

之前的研究显示，对单个特定的隐秘外显子进行基因调节可以影响疾病的进展，许多临床前研究旨在减少与TDP-43相关的毒性，例如通过使用反义寡核苷酸（ASO）或转基因技术阻止隐秘外显子表达或通过直接靶向TDP-43的聚集过程。

将基因疗法应用于临床的主要障碍是缺乏有效调控转基因表达的方法。在神经退行性疾病患者中，只有一小部分运动神经元会在任何特定时间显示出明显的病理变化。因此，传统的靶向策略（例如将靶向系统的AAV血清型与神经元特异性启动子结合）会导致大量非退行性细胞表达治疗转基因。这种表达不仅没有必要，反而会通过干扰原本健康细胞的正常功能，从而而恶化病情，尤其是考虑到这些基因方法往往具有持久性。

因此，开发一种能够在病变细胞中特异性表达治疗性蛋白质的系统，将是革命性的，这将极大地提高基因疗法的安全性，并有可能实现在发病前的预防性治疗。

2024年10月3日，伦敦大学学院的研究人员在国际顶尖学术期刊Science 上发表了题为：Creation of de novo cryptic splicing for ALS and FTD precision medicine的研究论文。

该研究开发了一种名为TDP-REG的医学方法，利用细胞中TDP-43功能丧失（TDP-LOF）时发生的隐秘剪接事件，以在病变细胞中特异性表达，用于治疗肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞（FTD）。

在这项最新研究中，研究团队基于对TDP-43剪接调控的理解，以及基于深度学习的剪接预测工具，开发了一种具有新型隐秘剪接位点的基因治疗载体。

该研究开发了一种针对肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞痴呆症（FTD）的精准医学方法 TDP-REG，利用细胞中TDP-43功能丧失（TDP-LOF）时发生的隐秘剪接事件，以在病变细胞中特异性表达。

TDP-REGv1 通过调控上游隐秘外显子控制下游转基因表达

除了对现有的隐秘外显子进行修改以达到上述目的外，研究团队还开发了一种基于深度学习（Deep Learning）的算法，用于生成可定制的隐秘剪接事件，这些事件可以嵌入任何编码序列中。

TDP-REGv2 人工智能指导的新型隐秘剪接事件设计

通过将部分编码序列置于一个新型隐秘外显子中，可以将蛋白质表达与TDP-LOF紧密耦合。在体外和体内实验中，TDP-43功能丧失（TDP-LOF）激活了蛋白质表达，包括由细胞质中TDP-43聚集引起的TDP-LOF。这种方法限制了治疗性转基因在有TDP-LOF的细胞中表达，这与患者的TDP-43聚集同时发生，因此大大降低了脱靶副作用的风险。

除了产生各种荧光和磷光报告分子外，研究团队还利用该系统进行TDP-LOF依赖的先导编辑（Prime Editing），以消除UNC13A秘供体剪接位点。此外，研究团队设计了一组编码TDP-43/Raver1融合蛋白的严格门控、自动调节载体，以挽救关键的病理性隐秘剪接事件。

除了在体外和体内证明了TDP-REG高效的TDP-LOF依赖性表达，研究团队还将这种方法应用于肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞痴呆症（FTD）的治疗，为这些毁灭性疾病的更安全、更有效的治疗铺平了道路。

总的来说，该研究将深度学习与理性设计相结合，创造出复杂的剪接传感器，从而构建了一个平台，为神经退行性疾病提供了更安全的治疗方法，甚至可能实现对高风险个体的预防性治疗。

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