张宝弘点评 | 药物研发下一个前沿风口：表观遗传编辑疗法
点评摘要
表观遗传编辑疗法需要与靶DNA结合同时调节DNA甲基化和进行组蛋白修饰，因此编辑工具从设计到功能实现技术壁垒高，从底层专利、工艺流程到商业成本都有很大的优化空间。此外，我们虽然选择利用LNP作为递送工具，且这类技术在国外也已经进入临床应用，但国内还处于相对早期阶段，因此，LNP的工艺开发、放大和质量控制都有很多工作要做。
——益杰立科 张宝弘
表观遗传学是20世纪80年代逐渐兴起的一门学科，其核心是组蛋白和核酸的各种共价修饰，这些修饰协同调节染色质结构和基因表达。目前常说的表观遗传修饰主要包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化。由于表观遗传决定了哪些基因在何种水平表达，因此，科学界一直在尝试通过调控表观遗传组来对抗癌症等疾病。
随着对DNA结合域的数十年研究，以及能够书写或擦除表观遗传标记的酶效应器（enzymatic effectors）数量的迅速增长，精准表观遗传组编辑正在进入人们的视野，而敏锐的投资者们也已经捕捉了这些进展。2021年，他们向两家表观基因组编辑公司——Tune Therapeutics和Chroma Medicine注资1.65亿美元（前者A轮融资4000万美元，后者A轮融资1.25亿美元）。
Tune和Chroma都在朝着同一个目标努力，即从根本上完全控制基因表达，在我们想要的细胞类型中打开或关闭基因，想要打开（或关闭）几个就打开（或关闭）几个，想要打开（或关闭）多久就打开（或关闭）多久。
为了创造能作用于特定基因位点的疗法，两家公司都将DNA结合蛋白 [一个失活版Cas9（‘dead’ Cas9, dCas9）或一个锌指结构蛋白] 与不同的效应器（enzymatic effectors）结合，包括转录激活因子(如VP16)、转录抑制因子(如KRAB)、表观遗传“书写”酶(如DNA甲基化转移酶或组蛋白乙酰转移酶)或表观遗传“擦除”酶(如DNA去甲基化酶、组蛋白去甲基化酶或组蛋白去乙酰化酶)。
1、Tune Therapeutics
Tune和Chroma的创始人都是名副其实的基因调控领域的资深科学家。Tune的联合创始人Fyodor Urnov和Charles Gersbach在该领域拥有数十年的经验，其中Charles Gersbach在2015年发表的一篇论文中揭示了靶向启动子组蛋白乙酰化后4个内源性基因的转录激活。
Tune Therapeutics联合创始人Charles Gersbach（来源：D.L. Anderson）
近年来，Gersbach小组一直在开展大规模的表观遗传组编辑筛选。在2017年发表的一篇Nature Biotechnology论文中，他们使用dCas9KRAB抑制剂 （可招募使组蛋白H3上的赖氨酸9甲基化的蛋白质，导致靶序列基因抑制） 和dCas9p300激活剂 （可与靶向DNA的增强子或启动子结合，促进组蛋白H3上赖氨酸27的乙酰化，从而导致基因激活） 和>10,000 向导RNA（gRNA），靶向人类细胞中两个特定基因（HBB和HER2）周围的多个巨碱基（megabase）区域，以鉴定基因组调控元件。在随后的一篇论文中，该团队使用dCas9VP64和一个针对约1500个人类转录因子编码基因的> 8000个gRNAs文库来筛选驱动细胞分化和成熟的位点。2020年，他们的研究表明，靶向转录因子PAX7编码基因的表观遗传效应器，能够驱动人类诱导多能干细胞(iPSCs)成熟为肌源性前体（PAX7控制骨骼肌细胞分化）。与通过转基因直接过表达PAX7相比，表观遗传编辑使基因激活持续时间更长。在最近的一项研究中，他们利用dCas9KRAB 转录抑制剂和> 110万个gRNAs对K562人淋巴母细胞中>10万个开放染色质区域进行筛选，以识别与基因调控和细胞适应性相关的调控元件。
(A)效应器p300介导的组蛋白乙酰化，(B)效应器KRAB介导的组蛋白甲基化（来源：Seminars in Cancer Biology）
Tune的首席执行官Matt Kane在基因编辑领域已经有一段时间了，他之所以在Tune担任这个职位，是因为他相信表观遗传编辑技术现在已经足够成熟，具备商业化疗法开发的可行性。“相比几年前，现在我们更加了解疾病，也更加了解如何更好地递送编辑器。我们也知道所有的障碍在哪里，近期的机会在哪里。“他说。
Tune位于北卡罗来纳州的总部已经从杜克大学Gersbach实验室招募了许多员工。该公司在西雅图也有第二个基地。Tune已经有了一个初步的项目组合。
2、Chroma Medicine
Chroma也是由一群科学先驱创立，包括Jonathan Weissman、David Liu、Luke Gilbert、Keith Joung、Luigi Naldini 和Angelo Lombardo。2016年，Naldini和Lombardo在Cell杂志上发表了突破性的研究成果，揭示他们通过靶向表观遗传编辑（调控DNA甲基化）能够特异性地沉默基因。
Chroma Medicine联合创始人Jonathan Weissman（来源：Gretchen Ertl, Whitehead Institute）
Chroma的创始人们已经创建了他们自己的一套表观遗传编辑器，他们称之为“CRISPRoff”和“CRISPRon”编辑器。这项技术来自联合创始人Gilbert及Weissman实验室，相关论文于2021年发表在Cell杂志上。
来源：Chroma Medicine
基于该技术，Gilbert和Weissman的团队设计了针对> 20000个人类基因的表观遗传编辑器，并在多种细胞类型(iPSCs、HeLa细胞、U2OS人类上皮细胞或K562细胞)中进行了测试。这些研究表明，在一些细胞系中，沉默效应可在超过450代细胞传代中遗传，并可通过CRISPRon(用去甲基化酶代替甲基化酶)逆转。Chroma目前尚未公布研发管线。
3、Epic Bio
除了在2021年完成融资的Tune和Chroma，2022年以来，也有另外两家开发表观遗传编辑疗法的公司获得了资本的关注和支持。一家是由CRISPR先驱亓磊博士（师从诺奖得主Jennifer Doudna教授）创建的Epic Bio，该公司在今年7月宣布完成 5500 万美元的 A轮融资，目标是开发一类作用于表观遗传组的新基因药物。
来源：Epic Bio
Epic已经开发了GEMS平台（Gene Expression Modulation System），用以在不永久改变DNA的情况下，在体内和体外精准上调或下调基因表达。源于该平台的疗法结合了一个DNA结合蛋白、一个或多个定制的gRNA以及一个或多个调节剂。当gRNA与靶序列配对后，DNA结合蛋白可识别并结合到目标序列。然后调制剂可以以多种方式改变基因的表达，包括激活或抑制基因的转录，或添加或删除基因位点的表观遗传标记。
表观遗传疗法作用机制（来源：Epic Bio）
值得一提的是，Epic称其建立了已知最大的转录和表观遗传调节剂文库，其中表观遗传调节剂包括组蛋白修饰剂、DNA（去）甲基化剂、染色质重塑剂等。此外，该公司还获得了斯坦福大学的独家授权，可将大小不到Cas9和Cas12a一半的超小的DNA结合蛋白CasMINI（由亓磊实验室开发，是迄今为止最小的Cas蛋白）用于人类研究，CasMINI的尺寸优势使Epic的候选治疗药物能够在体内通过单一的AAV载体递送到广泛的目标器官。
Epic Bio的管线（来源：公司官网）
据悉，Epic针对面部肩胛肱骨肌营养不良 (FSHD，由D4Z4区域甲基化缺失导致，导致DUX4基因的异常表达) 的领先项目EPIC-321 （调控D4Z4区域的甲基化） 有望于2023年启动临床研究。其他临床前项目的适应症包括杂合子家族性高胆固醇血症(HeFH)、色素性视网膜炎（RP4、RP11）等。
4、益杰立科
成立于2021年9月的益杰立科（Epigenic Therapeutics）是公开资料显示的目前国内首家以及唯一一家致力于表观遗传编辑疗法开发的公司，于今年上半年完成了2000万美元的天使轮和Pre-A轮融资。Pre-A轮融资由晨兴创投、煕诚金睿、三一创新和泰煜投资共同参与完成，天使轮股东源来资本继续参与。融资将用于公司自有的核心表观遗传编辑技术在非人灵长类动物的试验，扩大并提升团队能力，以及支持早期临床试验等方面。
益杰立科通过LNP递送mRNA及sgRNA来实现表观遗传编辑（来源：公司官网）
益杰立科的几位科学创始人分别在计算生物学、递送、基因编辑领域发表了多篇原创性论文。公司的专利技术平台通过其开发的人工智能算法不断探索以获得更优的CRISPR- Cas组件，结合表观遗传修饰酶（ epi-enzymes），在不改变DNA序列的情况下，调控目的基因或同时操控多个基因的表达。
益杰立科专有的表观遗传编辑器（来源：公司官网）
结合自有的专利脂质纳米颗粒（LNP）递送系统 （提高了肝脏递送效率，且可以递送到其他器官，如肺、脾、神经系统等） ，其平台已在眼部、神经系统疾病、代谢和罕见疾病等体内和体外模型中均得以验证，能将药物精确有效地递送到靶细胞和组织，在细胞和动物体内编辑效果达到持久的生物学效应。据悉，公司现已布局多个管线的候选产品。
5、Omega Therapeutics
与以上几家公司略有不同，Omega Therapeutics是另一家值得关注的开发可编程的表观遗传疗法的公司。该公司由Flagship Pioneering创办，在2021年3月完成了1.26亿美元的C轮融资，4个月后又通过IPO募资1.411 亿美元。Omega称，其首创了将mRNA疗法用作一类新的可编程表观遗传药物的首个系统方法。
来源：Omega
Omega模块化和可编程的mRNA药物——Omega Epigenomic Controllers靶向绝缘基因组域（Insulated Genomic Domains, IGDs）内特定的表观基因组位点EpiZips™，能够特异性地持久上调或下调单个或多个基因，通过精准基因组调控治疗和治愈疾病。
知识卡：自然界将基因及其调控元件组织在被称为绝缘基因组域(IGDs)的独特和进化保守的3D结构中，以控制基因的表达。Omega利用专有算法和机器学习工具，挖掘自有和公共数据库，将大约15000个人类IGDs及其元素归类为基因组“邮政编码”，命名为EpiZips™。同时，Omega分析了EpiZips™在原始状态和疾病状态之间的差异，为公司将IGDs作为药物靶点来治疗和潜在治愈疾病提供了依据。
Omega目前正在推进针对一系列疾病的候选疗法的开发，其中进展最快的项目OTX-2002已获FDA批准开展I/II期first-in-human临床研究。通过LNP递送的OTX-2002旨在通过表观遗传调节在转录前下调c-Myc (MYC)表达，同时可能克服MYC的自调节，目标适应症是肝细胞癌。
小结
尽管潜力无限，但加州大学戴维斯分校长期从事基因编辑研究的David Segal表示，目前体内递送效率低制约着表观基因组编辑发展：AAV有包装大小限制，LNP没有包装限制但组织靶向性局限（主要是肝脏）。该领域的另一个问题是，相比激活基因，现在科学家们主要擅长让基因沉默。什么样的表观遗传编辑器能够实现持续、持久地编辑，以增加基因表达，目前还没有很好的答案。
不过，Chroma总裁兼CSO Vic Myer表示，表观遗传编辑技术的出现真的改变了游戏规则。表观基因组编辑与基因编辑的区别在于，表观基因组编辑器不会破坏DNA，也不会产生不可逆转的突变。除了在降低基因表达或沉默基因方面的灵活性，表观遗传编辑也有望在基因激活方面带来突破。可以说，表观遗传编辑技术本质上就是细胞调节基因表达的正常方式。Myer相信，Chroma能够克服任何现存的障碍。
专家点评
益杰立科 联合创始人、CEO
张宝弘博士
张宝弘，澳大利亚悉尼大学医学博士，美国密西根大学博士后; 拥有20多年美国和中国生物医药领域研发管理和多个新药早期发现到IND申报和临床开发的经验。曾任KBI首席执行官 , Sanofi亚太地区转化医学总监，辉源生物副总裁，Metabasis Therapeutics资深科学家和项目负责人等。
医药魔方Pro：您是从何时开始关注到表观遗传编辑技术的？相比传统的基因编辑，表观遗传编辑有哪些潜在的优势？
张宝弘博士：去年10月份，我们的科学创始人向我介绍了“通过优化基因编辑技术实现对表观遗传进行编辑”这一领域的最新进展与突破，包括斯坦福大学亓磊教授的CRISPRa、CRISPRi技术，以及中国科学家在这方面卓越的原创成果，如我们的科学创始人利用优化的CRISPR技术实现了在体多基因调控。能够利用机体内天然的基因转录调控机制对目的基因进行精准、安全地调控这一优势，让我对表观遗传编辑领域产生了极大的兴趣。结合我多年的新药研发和行业管理经验，益杰立科在这样的背景下开始从融资，管线搭建和团队建设，进入了快速发展轨道。
严格来讲，我们建立的表观遗传编辑平台（EPIREG TM ）并没有对基因本身进行编辑，因为没有改变基因序列，因此克服了传统编辑在体应用存在的潜在安全风险。与传统的基因编辑（如CRISPR-CAS 衍生的）相比，最首先突显的就是安全性优势；第二，EPIREG TM 利用了体内天然的基因转录调控通路，生物学成本最低且生物学效应最高；第三，因为对DNA甲基化和组蛋白修饰进行精准双重调控，其机制模拟了“印记基因”生物学调控效应，所以效果是持久的。从这些方面来看，未来表观遗传编辑疗法的成药性和对改善患者的依从性都是大有优势的。
医药魔方Pro：从2021年开始，表观遗传编辑突然就“热起来”，多家公司获得投资者的支持。表观遗传编辑在这样一个时间点“热起来”，推动因素有哪些？
张宝弘博士：细胞和基因治疗新药研发领域近年来有很多科学和应用的突破和进展。因此，业界，包括投资者一直都在密切关注细胞和基因疗法领域最前沿的科学发现以寻求转化机会。在基因编辑这一细分赛道，CRISPR-CAS技术问世的10多年来，科学家们一直不断改进其应用效率和安全性，后者对基因编辑应用于疾病治疗至关重要。来自美国、意大利、中国的几个实验室利用CRISPR-CAS特性在不改变基因序列实现表观基因调控方面做了很多突破性的工作和贡献。因此，自去年下半年开始，包括益杰立科在内，相继有几家生物技术公司在中美融资成功。
医药魔方Pro：作为国内首家专注于表观遗传编辑疗法开发的公司，益杰立科的技术源头是什么？过去这一年，公司在研发方面取得了哪些进展？
张宝弘博士：益杰立科是国内首家专注于表观遗传调控的生物技术公司，技术源头是基于中国科学家的原创科学发现。我们的科学创始人在基因编辑领域深耕多年，且在过去几年不断探索基因编辑工具优化，迭代及应用，积累了丰富的实战经验。
过去一年多，公司在表观遗传编辑核心技术平台的搭建及落地、IP和管线布局方面都有了重要进展；同时，我们在外高桥自贸一号园区建设了第一期2000多平米的研发中心，快速推动平台建设和项目研发。技术平台目前已在小动物模型中展现出良好的基因调控效率，我们正在推进大动物模型验证工作。
目前的数据显示，我们的技术在体外细胞水平和体内动物模型中都表现出明确的剂量依赖性基因沉默效果，优于行业内可使用的其他基因干预手段。更重要的是，通过表观遗传编辑对目的基因的沉默效果可以长期保持。
医药魔方Pro：表观遗传编辑疗法要想进一步取得突破，还有哪些挑战需要克服？
张宝弘博士：虽然表观遗传编辑已经在新药研发领域展现出高效、安全和疗效持久的前景，但任何新兴技术转化成真正临床可用的疾病疗法都有相当长的路要走。首先，表观遗传编辑疗法需要与靶DNA结合同时调节DNA甲基化和进行组蛋白修饰，因此编辑工具从设计到功能实现技术壁垒高，从底层专利、工艺流程到商业成本都有很大的优化空间。此外，我们虽然选择利用LNP作为递送工具，且这类技术在国外也已经进入临床应用，但国内还处于相对早期阶段，因此，LNP的工艺开发、放大和质量控制都有很多工作要做。
医药魔方Pro：表观遗传编辑疗法有望带来怎样的治疗突破？益杰立科未来3-5年制定了怎样的研发计划？
张宝弘博士：我们预测表观遗传编辑疗法有望成为慢性疾病领域革命性的突破疗法。益杰立科已经从技术优势、适应症、靶点深度理解和战略方面制定出相应研发计划和管线布局。未来3-5年，我们将继续加强核心技术平台建设，预计将会有3-5款产品进入到临床开发阶段，包括针对代谢、心血管等疾病的系统给药产品以及针对眼科及CNS疾病的局部给药产品。
相关论文：
[1]Isaac B Hilton et al. Epigenome editing by a CRISPR-Cas9-based acetyltransferase activates genes from promoters and enhancers. Nature Biotechnology(2015).
[2]Angelo Amabile et al. Inheritable Silencing of Endogenous Genes by Hit-and-Run Targeted Epigenetic Editing. Cell(2016).
[3]Tyler S Klann et al. CRISPR–Cas9 epigenome editing enables high-throughput screening for functional regulatory elements in the human genome. Nature Biotechnology(2017).
参考资料：
1#https://www.nature.com/articles/d41587-022-00009-x
2#https://www.the-scientist.com/news-opinion/crispr-screen-detects-functional-gene-regulation-31717
3#https://ir.omegatherapeutics.com/news-releases/news-release-details/omega-therapeutics-reports-second-quarter-2021-financial-results
4#https://ir.omegatherapeutics.com/news-releases/news-release-details/omega-therapeutics-announces-fda-clearance-ind-application-otx
5#https://epic-bio.com/epic-bio-founded-by-crispr-pioneer-launches-to-revolutionize-genetic-medicine-with-epigenetic-engineering/
6#https://epic-bio.com/science/
7#https://mp.weixin.qq.com/s/nKPo1PPPtYy9weYh01nKNQ
8#http://www.epigenictx.com/techonogy.aspx