用于朊病毒病治疗的锌指蛋白转录因子的制作方法

用于朊病毒病治疗的锌指蛋白转录因子
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年10月2日提交的美国临时申请62/909,725和2020年5月11日提交的美国临时申请63/023,197的优先权。上述临时申请的内容通过整体引用并入本文。
3.序列表
4.本技术包含已以ascii格式电子提交的序列表，并通过整体引用在此并入。所述ascii副本创建于2020年10月2日，名为025297_wo012_sl.txt，且大小为197,128字节。
5.发明背景
6.朊病毒病是指一组影响人和动物的进行性神经退行性病症。这些病症的特征在于朊病毒蛋白的错误折叠同种型(prp scrapie；prp
sc
)的积累，导致与神经元丢失和胶质增生相关的脑的海绵状变化。术语朊病毒是蛋白质感染性颗粒的缩写，是指这些致病同种型的仅有蛋白质的本质。异常形状的蛋白质(prp
sc
)可以随后结合并将大量表达的生理形式的朊病毒蛋白(细胞prp；prpc)转化为引起疾病的同种型prp
sc
。这种现象被称为自我模板化。尽管蛋白质序列相同，但prp
sc
在溶解度、结构和稳定性方面与prpc在生物物理上截然不同(riesner,brit med bull.(2003)66:21-33)。prp
sc
同种型在传播后聚集，导致中枢神经系统中的神经元细胞死亡。人朊病毒病可以是遗传性的(占病例的10-15％)、散发性的或获得性的，包括克雅氏病(cjd)、格斯特曼-斯特劳斯勒-申克综合征(gss)、致死性家族性失眠症(ffi)和库鲁病。在人类中，朊病毒病会损害脑功能，导致进行性认知衰退和异常动作。朊病毒病总是致命性的，且通常会在发病后的几个月到几年内导致死亡。
7.prp的确切功能在该领域仍存在争议，但在众多表型中，已猜测prp在神经发生和神经保护、昼夜节律、髓鞘维持、上皮向间质转化(emt)和长期增强(ltp)中发挥作用。除了家族性形式，朊病毒病也可以是散发性的或获得性的。患有散发性朊病毒病的患者没有疾病家族史，也没有可鉴别的prnp基因的突变。当prpc自发转化为prp
sc
时会发生散发性朊病毒病。朊病毒病的散发性形式包括散发性克雅氏病(scjd)、散发性致死性失眠症(sfi)和可变蛋白酶敏感性朊病毒病(vpspr)。获得性朊病毒病是由于暴露于外部来源的prp
sc
所致。例如，变异型cjd(vcjd)是一种获得性朊病毒病的形式，其原因是食用了来自患有朊病毒病的牛的含有prp
sc
的牛肉产品。在牛中，这种形式的疾病被称为牛海绵状脑病(bse)或“疯牛病”。获得性人朊病毒病的另一个实例是库鲁病，其发现于巴布亚新几内亚的南福尔人群中。当人们在食人葬礼期间食用受影响的人体组织时，库鲁病就会传播。
8.减少prp的表达是一种治疗策略，其由大量的概念研究的遗传证明以及显示可以延长感染朊病毒的小鼠的生存率的降低prp的反义寡核苷酸(aso)的体内功效所支持。参见例如,b
ü
eler等人,cell(1993)73(7):1339-47；b
ü
eler等人,mol med camb mass.(1994)1(1):19-30；fischer等人,embo j.(1996)15(6):1255-64；mallucci等人,science(2003)302(5646):871-4；和safar等人,j gen virol.(2005)86(pt 10):2913-23,minikel等人,nucleic acids res.(2020)10.1093/nar/gkaa616。虽然已证明实现50％prp敲低的aso可将小鼠的朊病毒病的发作延迟两倍以上，但更高水平的prp敲低可能会提供进一步的治疗益处。超出aso可实现的范围的prp敲低的分布也可能对功效很重要。因此，仍然需要通过靶
向prp表达来有效治疗朊病毒病。
9.发明概述
10.本公开提供锌指蛋白(zfp)结构域，其靶向哺乳动物(例如，人、非人灵长类、啮齿动物或鼠)prnp基因中或附近的位点。本公开的zfp结构域可以与转录因子融合以在dna水平特异性抑制哺乳动物prnp基因。这些融合蛋白，也称为锌指蛋白转录因子(zfp-tf)，包含(i)与prnp基因中的靶区域特异性结合的zfp结构域和(ii)减少基因转录的转录阻抑物结构域。这些蛋白质可用于治疗朊病毒病。
11.在一方面，本公开提供了包含锌指蛋白(zfp)结构域和转录阻抑物结构域的融合蛋白，其中zfp结构域结合哺乳动物(例如人、非人灵长类、啮齿动物或鼠)朊病毒蛋白基因(prnp基因)的靶区域。在一些实施方案中，zfp-tf的靶区域在prnp基因中转录起始位点(tss)的约1kb或500bp内。在一些实施方案中，融合蛋白可以包含一个或多个(例如，两个、三个、四个、五个或六个)锌指，并且其任选地以没有或最小可检测的脱靶结合或活性阻抑prnp基因的表达至少约40％、75％、90％、95％或99％。锌指结构域的非限制性实例显示在图4和图8a中的表格中。在一些实施方案中，融合蛋白包含一个或多个显示在图4和图8a中的表格中的识别螺旋序列。在进一步的实施方案中，融合蛋白包含来自图4和图8a中的表格的单行的一些或所有识别螺旋序列，其具有或不具有指定的主链突变。在某些实施方案中，融合蛋白包含显示在图9a或图9b中的表格中的氨基酸序列。
12.在一些实施方案中，融合蛋白的转录阻抑物结构域可以包含kox1的krab结构域氨基酸序列。在融合蛋白中，zfp结构域可以通过肽接头与转录阻抑物结构域连接。
13.在另一方面，本公开提供了包含本发明融合蛋白的编码序列的核酸构建体，其中该编码序列可操作地连接到转录调节元件，例如在脑细胞中具有组成型活性或诱导型的哺乳动物启动子(例如，人突触蛋白i启动子)。本公开还提供了包含核酸构建体的宿主细胞。宿主细胞可以是例如人细胞、和/或脑细胞或多能干细胞，其中干细胞任选地是胚胎干细胞或诱导性多能干细胞(ipsc)。本公开还提供了包含核酸构建体的重组病毒(重组腺相关病毒(aav)，任选血清型6或9)。
14.在又一方面，本公开提供抑制哺乳动物脑细胞中朊病毒蛋白(prp)的表达的方法，包括将本发明的融合蛋白引入细胞，任选地通过引入本文所述的核酸构建体(例如，通过重组病毒)，从而抑制细胞中prp的表达。哺乳动物脑细胞可以是例如人细胞、非人灵长类细胞、啮齿动物细胞或鼠细胞，和/或可以是神经元、胶质细胞、室管膜细胞或神经上皮细胞。在一些实施方案中，细胞位于患有朊病毒病或有发展朊病毒病的风险的患者的脑中，其中朊病毒病任选地为家族性、散发性或获得性朊病毒病，例如克雅氏病(cjd)、散发性cjd、变异型cjd、格斯特曼-斯特劳斯勒-申克综合征(gss)、致死性家族性失眠症(ffi)、散发性致死性失眠症(sfi)、库鲁病或可变蛋白酶敏感性朊病毒病(vpspr)。
15.本公开还提供了治疗患者的神经退行性疾病的方法，其包括向患者施用编码本发明融合蛋白的重组aav。神经退行性疾病可以是朊病毒病，其中朊病毒病是任选地家族性、散发性或获得性朊病毒病，例如cjd、散发性cjd、变异型cjd、gss、ffi、sfi、库鲁病或vpspr。在一些实施方案中，该疾病可以是tau蛋白病，例如阿尔茨海默病(ad)、进行性核上性麻痹(psp)、额颞叶痴呆(ftd)、或皮质基底节变性(cbd)、或慢性创伤性脑病(cte)。在其他实施方案中，该疾病可以是突触核蛋白病，例如帕金森病(pd)、多系统萎缩(msa)或路易体痴呆
(dlb)。
16.在一些实施方案中，编码本发明融合蛋白的aav通过静脉内、鞘内、脑室内、小脑延髓池内或丘脑内注射、或注射到任何脑区而引入患者。
17.本公开提供了用于本文所述方法中的本发明融合蛋白、核酸构建体和重组病毒，以及融合蛋白、核酸构建体、重组病毒用于制备在本文所述方法中的药物的用途。
18.本发明的其他特征、目的和优点将在以下详细描述中显而易见。然而，应当理解，详细描述虽然指示了本发明的实施方案和方面，但仅作为说明而不是限制的方式给出。本发明范围内的各种改变和修改将根据详细描述对本领域技术人员显而易见。
19.附图简要说明
20.图1是说明小鼠prnp基因的上游基因组区域的图。基因下方簇中的小三角形描绘了生成以靶向小鼠prnp基因的384个zfp-tf的靶向基因组区域。指向右侧的三角形表示zfp-tf结合基因的有义链。指向左侧的三角形表示zfp-tf结合基因的反义链。zfp-tf中的192个是具有标准结构的亲本蛋白质。其他192个蛋白质是变体，每个对应一个亲本，在zfp-tf的三个锌指中的锌指螺旋的第1个氨基酸的n端第4位掺入三个r到q的取代。
21.图2是显示在用zfp-tf mrna转染后24小时收获的neuro2a细胞中，亲本和变体zfp-tf的每一个对降低小鼠prnp mrna表达的影响的图。通过rt-qpcr测量信使rna水平。归一化的prnp表达水平由梯度条“prnp mrna”表示。最深的颜色(红色)表示100％的减少。最浅的颜色(白色)表示0％的减少。将rt-qpcr数据相对于atp5b和eif4a2的mrna水平的平均值归一化。
22.图3a-d是显示384个zfp-tf(#81007-#81390)中的每一个在剂量滴定后降低小鼠prnp mrna表达的效果的一组条形图(zfp-tf mrna剂量从左到右为3ng、10ng、30ng、100ng、300ng和1000ng)。
23.图4是显示在小鼠prnp基因中或附近36个选定的工程化zfp结合的识别螺旋序列和基因组序列的表格。对于每个zfp，zfp结构域内每个锌指的基因组靶序列(结合序列)和dna结合识别螺旋序列(即f1-f6)显示于单行中。表中的“^”表明在指示螺旋中第1个氨基酸上游第4位的精氨酸(r)残基改变为谷氨酰胺(q)。分配给每个序列的seq id no显示在序列后面的括号中。
24.图5是显示neuro2a细胞中36个选定的zfp-tf的prnp阻抑活性的一组条形图，其如上文对图3-d所示进行评估。
25.图6a和6b显示在用编码36个选定zfp-tf之一的重组aav感染后七天，原代小鼠皮层神经元中的prnp mrna水平。用增加的aav感染复数(moi)感染神经元(从左到右：1e2、3e2、1e3、3e3、1e4和3e4)。图6a是显示归一化rt-qpcr数据(平均prnp mrna水平和标准偏差)的表格。然后将数据绘制成图6b中所示的条形图。rt-qpcr数据相对于atp5b、eif4a2和gapdh的mrna水平的平均值归一化。
26.图7a是描绘了小鼠原代神经元中36个测试的小鼠prnp zfp-tf的脱靶活性的一组火山图。火山图总结了显示aav6转导后7天小鼠原代神经元的转录组的变化的微阵列数据。在火山图中，绿色圆圈(每个火山图的右侧)代表脱靶基因显著上调(fdr p《0.05)，且红色圆圈代表脱靶基因显著下调(fdr p《0.05)。黄色圆圈表示覆盖小鼠prnp和prnd(位于prnp下游)基因座两者的微阵列探针组。prnd在小鼠皮层神经元中基本不表达；因此，检测到
prnp表达的最小变化。
27.图7b是显示对应于图7a中的火山图的小鼠原代皮层神经元中测试的小鼠prnp zfp-tf的失调脱靶基因数量的表格。
28.图8a是显示在人prnp基因中或附近12个选定的工程化zfp结合的识别螺旋序列和基因组序列的表格。对于每个zfp，zfp结构域内每个锌指的基因组靶序列(结合序列)和dna结合识别螺旋序列(即f1-f6)显示于单行中。表中的“^”表明在指示螺旋中第1个氨基酸上游第4位的精氨酸(r)残基改变为谷氨酰胺(q)。分配给每个序列的seq id no显示在序列下方的括号中。
29.图8b是显示靶向人ipsc衍生神经元中的人prnp的来自图8a的12个zfp-tf的一组图。y轴是相对于三个管家基因(atp5b、eif4a2和gapdh)的几何平均值归一化的prnp mrna的表达，并在用编码不同zfp-tf的aav6转导ipsc衍生神经元后31天进行评估。使用的aav6的量显示在x轴上，aav6剂量从左至右增加(1e3、3e3、1e4、3e4、1e5和3e5)。条代表四个技术重复的平均值，且误差条代表标准偏差。滴定刻度的放大版本显示在图的底部。
30.图8c是显示人ipsc衍生神经元中人pnrp的阻抑的表格。
31.图8d是描绘了人ipsc衍生的神经元中12个测试的人prnp zfp-tf的脱靶活性的一组火山图。火山图总结了显示aav6转导后19天人ipsc衍生神经元的转录组的变化的微阵列数据。在火山图中，绿色圆圈(每个火山图的右侧)代表脱靶基因显著上调(fdr p《0.05)，且红色圆圈代表脱靶基因显著下调(fdr p《0.05)。黄色圆圈表示检测人prnp基因表达的转录物的微阵列探针组。
32.图8e是显示对应图8d中的火山图的在人ipsc衍生的神经元中测试的人prnp zfp-tf的失调脱靶基因数量的表格。
33.图9a是显示小鼠prnp zfp-tf的完整aa序列(螺旋、r(-5)q变体、模块内和模块间接头)的表格。图9b是显示人prnp zfp-tf的完整aa序列(螺旋、r(-5)q变体、模块内和模块间接头)的表格。分配给每个序列的seq id no显示在序列后面的括号中。
34.发明详述
35.本公开提供了靶向哺乳动物prnp基因中或附近的位点(即序列)的zfp结构域。如本文所述的zfp结构域可以附接或融合至另一个功能分子或结构域。本公开的zfp结构域可以与转录因子融合以阻抑哺乳动物prnp基因转录成rna。该融合蛋白被称为锌指蛋白转录因子(zfp-tf)。这些zfp-tf包含与prnp基因中或附近的靶区域(即靶位点)特异性结合的锌指蛋白(zfp)结构域和减少基因转录的转录阻抑物结构域。通过将zfp-tf引入患者的脑来降低神经元中prp的水平有望抑制(例如，减少或停止)prp
sc
的形成和扩散，从而治疗朊病毒病(例如，减轻症状、预防发作或症状恶化和提高生存率)。
36.本zfp-tf抑制prnp的方法与其他正在测试的当前方法相比具有几个优势。zfp-tf可以实现比报道的反义寡核苷酸(aso)更高水平的prp阻抑。此外，zfp-tf可以只需要施用一次(通过向患者引入zfp-tf表达构建体例如重组病毒，例如重组aav)，而aso需要重复给药。此外，zfp-tf方法只需要在每个细胞的基因组中接合prnp基因的两个等位基因。相比之下，aso需要在每个细胞中接合大量prnp mrna拷贝。此外，通过使用重组病毒例如重组aav，zfp-tf可以递送到任何感兴趣的脑区域。
37.本朊病毒病治疗方法预计是安全的。据估计，大约1:18,000的人是功能丧失性
prnp突变的杂合体，但在这些个体中没有明显的有害影响。
38.i.zfp结构域的靶标
39.本发明融合蛋白的zfp结构域特异性结合哺乳动物(例如人、非人灵长类或鼠)prnp基因中或附近的靶区域。zfp-tf的dna结合zfp结构域将融合蛋白导向prnp基因的靶区域，并将融合蛋白的转录阻抑物结构域携带至靶区域。然后阻抑物结构域通过rna聚合酶阻抑prnp基因的转录。靶区域可以是prnp基因中允许阻抑基因表达的任何合适位点。举例而言，靶区域包括或邻近于(在上游或在下游)prnp转录起始位点(tss)或prnp转录调控元件(例如，启动子、增强子、rna聚合酶暂停位点等)。例如，靶区域可以在tss的上游和/或下游约500-1,000bp内。
40.在一些实施方案中，基因组靶区域的长度至少为8bp。例如，靶区域的长度可以是8bp至40bp，例如长度为12、15、18、21、24、27、30、33或36bp。靶向序列可以在基因的有义链或基因的反义链上。为了确保靶向准确性并减少zfp-tf的脱靶结合或活性，所选prnp靶区域的序列优选与其他基因中的序列具有小于75％(例如，小于70％、小于65％、小于60％、或小于50％)同源性。在某些实施方案中，本发明zfp-tf的靶区域长度为15-18bp，并且位于tss的约500-1,000bp内。小鼠prnp基因中的靶区域的实例显示于图1和图4中。人prnp基因中的靶区域的实例显示于图8a中。
41.在一些实施方案中，本发明工程化zfp与如图4和图8a中表格的单行中所示的靶位点(即，结合序列)结合，优选地以没有或几乎没有可检测到的脱靶结合或活性。
42.进一步评估靶区段的其他标准包括zfp与此类区段或相关区段结合的优先可用性、易于设计新zfp以结合给定靶区段以及脱靶结合评估。
43.ii.zfp结构域
[0044]“锌指蛋白”或“zfp”是指具有由锌稳定的dna结合结构域的蛋白质。zfp以序列特异性方式与dna结合。zfp的单个dna结合单元称为锌“指”。每个指含有dna结合“识别螺旋”，其通常由七个氨基酸残基组成并决定dna结合特异性。zfp结构域具有至少一个指，每个指结合dna的两到四个碱基对，通常是dna的三或四个碱基对。每个锌指通常包含约30个氨基酸和螯合锌。与天然存在的zfp相比，工程化的zfp可以具有新的结合特异性。工程化方法包括但不限于合理设计和各种类型的选择。合理设计包括，例如，使用包含三联体(或四联体)核苷酸序列和单独的锌指氨基酸序列的数据库，其中每个三联体或四联体核苷酸序列与结合特定三联体或四联体序列的锌指的一个或多个氨基酸序列相关。参见例如，以下中详细描述的zfp设计方法：美国专利5,789,538；5,925,523；6,007,988；6,013,453；6,140,081；6,200,759；6,453,242；6,534,261；6,979,539；和8,586,526；以及国际专利出版物wo 95/19431；wo 96/06166；wo 98/53057；wo 98/53058；wo 98/53059；wo 98/53060；wo 98/54311；wo 00/27878；wo 01/60970；wo 01/88197；wo 02/016536；wo 02/099084；和wo 03/016496。如本文所述的zfp结构域可以附接或融合至另一个分子例如蛋白质。此类zfp融合物可包含能够实现基因激活(例如，激活结构域)、基因阻抑(例如，阻抑结构域)、配体结合(例如，配体结合结构域)、高通量筛选(例如，配体结合结构域)、局部超突变(例如，活化诱导的胞苷脱氨酶结构域)、染色质修饰(例如，组蛋白脱乙酰酶结构域)、重组(例如，重组酶结构域)、靶向整合(例如，整合酶结构域)、dna修饰(例如，dna甲基-转移酶结构域)、碱基编辑(例如，碱基编辑器结构域)、或靶向dna切割(例如，核酸酶结构域)的结构域。工程化zfp
结构域的实例显示于图4和图8a的表格中。
[0045]
本发明工程化zfp融合蛋白的zfp结构域可以包括至少一个(例如，一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、十一、十二、十三或更多个)锌指。具有一个指的zfp结构域通常识别包括3或4个核苷酸的靶位点。具有两个指的zfp结构域通常识别包括6或8个核苷酸的靶位点。具有三个指的zfp结构域通常识别包括9或12个核苷酸的靶位点。具有四个指的zfp结构域通常识别包括12或15个核苷酸的靶位点。具有五个指的zfp结构域通常识别包括15或18个核苷酸的靶位点。具有六个指的zfp结构域可以识别包括18或21个核苷酸的靶位点。
[0046]
在一些实施方案中，本发明的工程化zfp包含图4和图8a的表格中所示的dna结合识别螺旋序列。例如，工程化的zfp可以包含如图4和图8a的表格中所示的f1、f2、f3、f4、f5或f6的序列。
[0047]
在一些实施方案中，本发明的工程化zfp包含图4和图8a的表格中单行所示的两个相邻的dna结合识别螺旋序列。例如，工程化的zfp可包含如图4和图8a的表格中单行所示的f1-f2、f2-f3、f3-f4、f4-f5或f5-f6的序列。
[0048]
在一些实施方案中，本发明的工程化的zfp包含图4和图8a的表格中单行所示的dna结合识别螺旋序列。例如，工程化的zfp可以包含如图4和图8a的表格中单行所示的f1、f2、f3、f4、f5和f6(例如，f1-f6)的序列。
[0049]
zfp结构域的靶特异性可以通过例如美国专利出版物2018/0087072中所述的对zfp主链序列的突变来提高。突变包括对zfp主链中的残基进行的突变，这些残基可以与dna主链上的磷酸盐非特异性相互作用，但不涉及核苷酸靶标特异性(参见例如，miller等人，nat biotechnol.(2019)37(8):945-52)。在一些实施方案中，这些突变包含将阳离子氨基酸残基突变为中性或阴离子氨基酸残基。在一些实施方案中，这些突变包含将极性氨基酸残基突变为中性或非极性氨基酸残基。在进一步的实施方案中，在相对于dna结合螺旋的位置(-5)、(-9)和/或(-14)处进行突变。在一些实施方案中，锌指可以包含位置(-5)、(-9)和/或(-14)处的一个或多个突变。在进一步的实施方案中，多指zfp结构域中的一个或多个锌指可以包含位置(-5)、(-9)和/或(-14)处的突变。在一些实施方案中，位置(-5)、(-9)和/或(-14)处的氨基酸(例如，精氨酸(r)或赖氨酸(k))突变为丙氨酸(a)、亮氨酸(l)、丝氨酸(s)、天冬氨酸(n)、谷氨酸(e)、酪氨酸(y)和/或谷氨酰胺(q)。具有主链突变的工程化zfp的实例显示于图4、图8a、图9a和图9b的表格中。图4和图8a中的符号“^”表明在所示识别螺旋中第1个氨基酸上游第4位的精氨酸(r)残基改变为谷氨酰胺(q)，其在图9a和图9b的表格中以粗体显示。在每个识别螺旋序列中，七个dna结合氨基酸的位置编号为-1、 1、 2、 3、 4、 5和 6。因此，r到q取代的位置编号为(-5)。
[0050]
在一些实施方案中，本发明的工程化zfp包含如图4和图8a中的表格中所示的dna结合识别螺旋序列和相关的主链突变。在一些实施方案中，本发明的工程化zfp包含如图4和图8a中的表格中单行所示的dna结合识别螺旋序列和相关的主链突变。
[0051]
在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp包含图9a和图9b中表格的单行中所示的序列的识别螺旋和主链部分。在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp包含图9a和图9b中表格的单行中所示的序列的识别螺旋和主链部分，因为该序列将在翻译后修饰之后出现。例如，翻译后修饰可以从如图9a和图9b中表格的单行中所示的序列中去除起始物甲硫氨酸残基。
[0052]
在一些实施方案中，本发明的zfp-tf包含一个或多个锌指结构域。结构域可以通过可延伸的柔性接头连接在一起，例如，一个结构域包含一个或多个(例如，4、5或6个)锌指且另一个结构域包含另外的一个或多个(例如，4、5或6个)锌指。在一些实施方案中，接头是标准的指间接头，使得指阵列包含一个含有8、9、10、11或12个或更多个指的dna结合结构域。在其他实施方案中，接头是非典型接头例如柔性接头。例如，在(从n端至c端)zfp-zfp-tf、tf-zfp-zfp、zfp-tf-zfp或zfp-tf-zfp-tf(两个zfp-tf融合蛋白通过接头融合在一起)构型中，两个zfp结构域可以连接至转录阻抑物tf。
[0053]
在一些实施方案中，zfp-tf是“双手的”，即它们包含由中间氨基酸分开的两个锌指簇(两个zfp结构域)，使得两个zfp结构域结合两个不连续的靶位点。双手型锌指结合蛋白的实例是sip1，其中四个锌指的簇位于蛋白质的氨基端，且三个指的簇位于羧基端(参见remacle等人,embo j.(1999)18(18):5073-84)。这些蛋白质中的每个锌指的簇都能够与独特的靶序列结合，并且两个靶序列之间的间隔可以包含许多核苷酸。
[0054]
或者，dna结合结构域可以来源于核酸酶。例如，如以下的归巢内切核酸酶和大范围核酸酶的识别序列是已知的：i-scei、i-ceui、pi-pspi、pi-sce、i-sceiv、i-csmi、i-pani、i-sceii、i-ppoi、i-sceiii、i-crei、i-tevi、i-tevii和i-teviii。也可以参见美国专利5,420,032和6,833,252；belfort等人,nucleic acids res.(1997)25:3379-88；dujon等人,gene(1989)82:115-8；perler等人,nucleic acids res.(1994)22:1125-7；jasin,trends genet.(1996)12:224-8；gimble et al.,j mol biol.(1996)263:163-80；argast等人,j mol biol.(1998)280:345-53；和the new england biolabs目录。此外，归巢内切核酸酶和大范围核酸酶的dna结合特异性可以经工程化改造以结合非天然靶位点。参见例如，chevalier等人,mol cell(2002)10:895-905；epinat等人,nucleic acids res.(2003)31:2952-62；ashworth等人,nature(2006)441:656-59；paques等人,current gene therapy(2007)7:49-66；和美国专利出版物2007/0117128。
[0055]
iii.锌指蛋白转录因子
[0056]
本文所述的zfp结构域可以与转录因子融合。在一些实施方案中，转录因子可以是转录阻抑物结构域，其中zfp和阻抑物结构域可以通过直接肽键或肽接头或通过二聚化彼此缔合(例如，通过亮氨酸拉链、stat蛋白n端结构域、或fk506结合蛋白)。如本文所用，“融合蛋白”是指具有共价连接结构域的多肽以及通过非共价键彼此缔合的多肽复合物。转录阻抑物结构域可以在任何合适的位置包括zfp结构域的c-端或n-端与zfp结构域缔合。
[0057]
在一些实施方案中，在患者中同时使用本发明的zfp-tf中的两个或更多个，其中zfp-tf结合prnp基因中的不同靶区域，以实现对prnp表达的最佳阻抑。
[0058]
a.转录阻抑物结构域
[0059]
本发明的zfp-tf包含如本文所述的工程化zfp结构域和一个或多个阻抑prnp基因的转录活性的转录阻抑物结构域。一个或多个工程化zfp结构域和一个或多个转录阻抑物结构域可以通过柔性接头连接。转录阻抑物结构域的非限制性实例是knox1 krab结构域、kap-1、mad、fkhr、egr-1、erd、sid、tgf-β诱导型早期基因(tieg)、v-erb-a、mbd2、mbd3、tra、组蛋白甲基转移酶、组蛋白去乙酰化酶(hdac)、核激素受体(例如雌激素受体或甲状腺激素受体)、dnmt家族成员(例如dnmt1、dnmt3a、dnmt3b)、rb和mecp2。参见例如，bird等人(1999)cell 99:451-454；tyler等人(1999)cell 99:443-446；knoepfler等人(1999)cell 99:
447-450；和robertson等人(2000)nature genet.25:338-342。另外的示例性阻抑结构域包括但不限于rom2和athd2a。参见例如，chem等人(1996)plant cell 8:305-321；和wu等人(2000)plant j.22:19-27。
[0060]
在一些实施方案中，转录阻抑物结构域包含来自人锌指蛋白10/kox1(znf10/kox1)(例如，genbank no.nm_015394.4)的kruppel相关盒(krab)结构域的序列。示例性的krab结构域序列是：
[0061][0062]
也可以使用该krab序列的变体，只要它们具有相同或相似的转录阻抑物功能。
[0063]
在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp-tf结合如图4和图8a的表格单行中所示的靶位点，优选没有或几乎没有可检测到的脱靶结合或活性。脱靶结合可以例如通过测量zfp-tf在脱靶基因处的活性来确定。
[0064]
在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp-tf包含图4和图8a的表格中所示的dna结合识别螺旋序列。在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp-tf包含图4和图8a的表格中单行所示的两个相邻的dna结合识别螺旋序列。在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp-tf包含图4和图8a的表格中单行所示的dna结合识别螺旋序列。在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp-tf包含图9a和图9b的表格中单行所示的序列的识别螺旋和主链部分。在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp-tf包含图9a和图9b的表格中单行所示的氨基酸序列。
[0065]
在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp-tf包含图9a和图9b的表格中单行所示的序列的识别螺旋和主链部分，因为该序列将在翻译后修饰之后出现。在一些实施方案中，本文所述的工程化zfp-tf包含如图9a和图9b的表格中单行所示的氨基酸序列，因为该序列将在翻译后修饰之后出现。例如，翻译后修饰可以从如图9a和图9b的表格中单行所示的序列中去除起始物甲硫氨酸残基。
[0066]
b.肽接头
[0067]
本发明zfp-tf的zfp结构域和转录阻抑物结构域和/或zfp结构域内的锌指可以通过肽接头连接，例如约5至200个氨基酸(例如，5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20个或更多个氨基酸)的不可切割的肽接头。优选的接头通常是合成为重组融合蛋白的柔性氨基酸亚序列。参见例如，以上描述；和美国专利6,479,626；6,903,185；7,153,949；8,772,453；和9,163,245；和wo 2011/139349。本文所述的蛋白质可包括合适接头的任何组合。接头的非限制性实例为dgggs(seq id no:252)、tgekp(seq id no:253)、lrqkdgerp(seq id no:254)、ggrr(seq id no:255)、ggrrgggs(seq id no:256)、lrqrdgerp(seq id no:257)、lrqkdgggserp(seq id no:258)、lrqkd(g3s)2erp(seq id no:259)、和tgsqkp(seq id no:260)。在一些实施方案中，tgekpfa(seq id no:348)和/或tgsqkpfq(seq id no:349)连接zfp结构域内的锌指，且lrqkdaargsgg(seq id no:350)或lrgsgg(seq id no:351)连接zfp结构域和转录阻抑物结构域。
[0068]
在一些实施方案中，肽接头的长度为三至20个氨基酸残基并且富含g和/或s。此类接头的非限制性实例是g4s型(seq id no:347)接头，即含有一个或多个(例如2、3或4个)
ggggs(seq id no:251)基序或该基序的变体(例如具有来自该基序的一个、两个或三个氨基酸插入、缺失和取代的基序)的接头。
[0069]
iv.zfp-tf的表达
[0070]
本公开的zfp-tf可以通过编码其的核酸分子引入患者。核酸分子可以是rna或cdna分子。核酸分子可以通过注射包含脂质：核酸复合物(例如，脂质体)的组合物而引入患者的脑中。或者，可以通过包含编码zfp-tf的序列的核酸表达载体将zfp-tf引入患者。表达载体可以包括表达控制序列，例如启动子、增强子、转录信号序列和转录终止序列，它们允许zfp-tf的编码序列在神经系统的细胞中表达。在一些实施方案中，表达载体作为稳定的附加体保持存在于细胞中。在其他实施方案中，表达载体被整合到细胞的基因组中。
[0071]
在一些实施方案中，用于指导脑中zfp-tf表达的载体上的启动子是组成型活性启动子或诱导型启动子。合适的启动子包括但不限于逆转录病毒rsv ltr启动子(任选地具有rsv增强子)、cmv启动子(任选地具有cmv增强子)、cmv立即早期启动子、sv40启动子、二氢叶酸还原酶(dhfr)启动子、β-肌动蛋白启动子、磷酸甘油酸盐激酶(pgk)启动子、eflα启动子、momlv ltr、ck6启动子、tk启动子、四环素反应启动子(tre)、hbv启动子、嵌合肝特异性启动子(lsp)、e2f启动子、端粒酶(htert)启动子、cmv增强子/鸡β-肌动蛋白/兔β-珠蛋白启动子(cag启动子；niwa等人，gene(1991)108(2):193-9)、以及ru-486响应启动子。也可以使用神经元或胶质特异性启动子，例如突触蛋白i启动子、camkii启动子、mecp2启动子、prp启动子、gfap启动子、或限制对神经元和胶质细胞表达的工程化或天然启动子。
[0072]
可以采用将核苷酸序列引入细胞的任何方法，包括但不限于电穿孔、磷酸钙沉淀、显微注射、阳离子或阴离子脂质体、结合核定位信号的脂质体、天然存在的脂质体(例如，外泌体)、或病毒转导。
[0073]
对于表达载体的体内递送，可以使用病毒转导。本领域已知的多种病毒载体可以由本领域技术人员调整以在本公开中使用，例如牛痘载体、腺病毒载体、慢病毒载体、痘病毒载体、腺相关病毒(aav)载体、逆转录病毒载体和杂合病毒载体。在一些实施方案中，本文使用的病毒载体是重组aav(raav)载体。aav载体特别适用于cns基因递送，因为它们感染分裂细胞和非分裂细胞，以稳定的游离型结构存在以长期表达，并且具有非常低的免疫原性(hadaczek等人,mol ther.(2010)18:1458-61；zaiss等人，gene ther.(2008)15:808-16)。可以使用任何合适的aav血清型。例如，aav可以是aav1、aav2、aav3、aav3b、aav4、aav5、aav6、aav7、aav8、aav8.2、aav9或aavrh10，或者是假型如aav2/8、aav2/5、aav2/6或aav2/9(即源自多种血清型的aav；例如，raav在其基因组中包含aav2反向末端重复(itr)和aav8、5、6或9衣壳)。在一些实施方案中，表达载体是aav病毒载体并且通过基因组包含构建体的重组aav病毒粒子引入靶标人细胞，表达载体包括在两个末端具有aav反向末端重复(itr)序列以允许在生产系统(例如昆虫细胞/杆状病毒生产系统或哺乳动物细胞生产系统)中产生aav病毒粒子。可以对aav进行工程化改造，使其衣壳蛋白在人或非人灵长类中具有降低的免疫原性或增强的转导能力。在一些实施方案中，使用aav9。本文所述的病毒载体可以使用本领域已知的方法产生。可以使用任何合适的允许细胞或包装细胞来生产病毒颗粒。例如，哺乳动物或昆虫细胞可以用作包装细胞系。
[0074]
v.药物应用
[0075]
本发明的zfp-tf可用于治疗需要下调prp表达的患者。患者患有朊病毒病或有发
展朊病毒病的风险。待治疗的朊病毒病可以是家族性、散发性或获得性朊病毒病，并且可以是cjd、scjd、vcjd、gss、ffi、sfi、库鲁病、vpspr。处于风险中的患者包括遗传易感人群和暴露于患有疯牛病的牛的肉或其他环境来源的朊病毒的人群。本公开提供了治疗受试者例如有此需要的人患者的神经退行性疾病的方法，其包括向受试者的神经系统引入治疗有效量(例如，允许充分阻抑prnp表达的量)的zfp-tf(例如，表达它的raav载体)。在一些实施方案中，神经退行性疾病是朊病毒病。术语“治疗”涵盖缓解症状、预防症状发作、减缓疾病进展和增加存活率。还可以测量包括但不限于脑脊液或血浆中朊病毒或神经丝轻链(nfl)的生物标志物水平以监测治疗的进展。
[0076]
本公开提供了包含病毒载体例如其重组基因组包含zfp-tf的表达盒的重组raav的药物组合物。药物组合物可以进一步包含药学上可接受的载体，例如水、盐水(例如磷酸盐缓冲盐水)、葡萄糖、甘油、蔗糖、乳糖、明胶、葡萄聚糖、白蛋白或果胶。此外，该组合物可包含辅助物质，例如润湿剂或乳化剂、ph缓冲剂、稳定剂、或其他增强药物组合物效力的试剂。药物组合物可以包含递送媒介物，例如脂质体、纳米胶囊、微粒、微球、脂质颗粒和囊泡。
[0077]
本公开的治疗剂靶向的细胞是脑中的细胞，包括但不限于神经元细胞(例如，运动神经元、感觉神经元、多巴胺能神经元、胆碱能神经元、谷氨酸能神经元、gaba能神经元或血清素能神经元)；胶质细胞(例如，少突胶质细胞、星形胶质细胞、周细胞、施万细胞或小胶质细胞)；室管膜细胞；或神经上皮细胞。治疗剂所靶向的脑区域可以是例如大脑皮层(经典cjd)、丘脑(ffi)、脑干(瘙痒病、bse和慢性消耗性疾病)和小脑(库鲁病)。可以通过纹状体内注射、丘脑内注射、脑内注射、小脑延髓池内(icm)注射，或更通常地通过脑实质内注射、脑室内(icv)注射、鞘内注射或静脉内注射，直接到达靶标脑区。其他施用途径包括但不限于脑内、心室内、鼻内或眼内施用。在一些实施方案中，病毒载体在例如通过鞘内和/或脑内注射或小脑延髓池内注射直接施用至脑脊液(csf)后，扩散遍及cns组织。在其他实施方案中，病毒载体穿过血脑屏障并在静脉内施用后在受试者的整个cns组织中实现广泛分布。在其他实施方案中，病毒载体通过脑实质内注射直接递送至靶区域。在一些情况下，病毒载体可能会在脑实质内递送后经历逆行或顺行运输到其他脑区。在一些方面，病毒载体具有不同的cns组织靶向能力(例如，cns组织趋向性)，从而以高效率实现稳定且无毒的基因转移。
[0078]
举例而言，药物组合物可以通过脑室内施用提供给患者，例如，施用至患者前脑的脑室区域例如右侧脑室、左侧脑室、第三脑室或第四脑室。药物组合物可以通过脑内施用提供给患者，例如，将组合物注射至以下部位中或附近：纹状体、尾状核、壳核、黑质、中脑、嗅球、大脑、髓质、脑桥、小脑、蓝斑、脑桥、髓质、脑干、苍白球、海马体、大脑皮层、大脑、颅内腔、脑膜、硬脑膜、蛛网膜或脑软脑膜。在一些情况下，脑内施用可以包括将药剂施用至围绕脑的蛛网膜下腔的脑脊液(csf)中。
[0079]
在一些情况下，脑内施用涉及使用立体定位程序进行注射。立体定向程序在本领域中是众所周知的并且通常涉及计算机和3维扫描装置的使用，它们一起用于将注射引导至特定的脑内区域例如脑室区域。也可以使用显微注射泵(例如，来自world precision instruments)。在一些情况下，使用显微注射泵来递送包含病毒载体的组合物。在一些情况下，组合物的输注速率在0.1μl/min至100μl/min的范围内。如本领域技术人员将理解的，输注速率将取决于多种因素，包括例如受试者的物种、受试者的年龄、受试者的体重/体型、aav的血清型、所需的剂量和靶向的脑内区域。因此，本领域技术人员可以认为其他输注速
率在某些情况下是合适的。
[0080]
可以例如通过静脉内施用来实现向受试者递送raav。在某些情况下，可以期望将raav局部递送至脑组织、脊髓、脑脊液(csf)、神经元细胞、胶质细胞、脑膜、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞、胞间隙等。在一些情况下，重组aav可通过注射到脑室区域以及脑实质、纹状体、黑质、皮质、小脑小叶、丘脑、海马体或其他脑区或脑区的组合直接递送至cns。可以使用本领域已知的神经外科技术用针、导管或相关装置递送aav，例如通过立体定向注射(参见例如,stein等人,j vir.(1999)73:3424-9；davidson等人,pnas.(2000)97:3428-32；davidson等人,nat genet.(1993)3:219-223；以及alisky和davidson,hum.gene ther.(2000)11:2315-29)。
[0081]
除非本文另有定义，否则与本公开结合使用的科学和技术术语应具有本领域普通技术人员通常理解的含义。下文描述了示例性方法和材料，尽管与本文描述的那些相似或等效的方法和材料也可以用于本公开的实践或测试。在冲突的情况下，以本说明书包括定义为准。一般而言，本文所述的神经病学、医学、药物和药物化学以及细胞生物学所关联使用的命名法和技术是本领域公知和常用的那些。酶促反应和纯化技术如本领域中通常完成的或如本文所述，根据制造商的说明书进行。此外，除非上下文另有要求，否则单数术语应包括复数，且复数术语应包括单数。在整个说明书和实施方案中，词语“具有”和“包含”或诸如“有”、“拥有”、“包括”或“含有”的变体将被理解为意味着包括所述整数或整数组，但不排除任何其他整数或整数组。本文提及的所有出版物和其他参考文献通过整体引用并入。尽管本文引用了许多文献，但该引用并不应该被视为承认这些文献中的任何一个构成本领域普通常识的一部分。如本文所用，用于一个或多个感兴趣值的术语“约”或“大约”指的是与所述参考值相似的值。在某些实施方案中，除非另有说明或从上下文中明显看出，该术语指的是在所述参考值的任一方向上(大于或小于)落入10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％或更小范围内的值。
[0082]
为使本发明得到更好的理解，阐述了以下实施例。这些实施例仅用于说明的目的，且不应解释为以任何方式限制本发明的范围。
实施例
[0083]
实施例1：zfp-tf的筛选
[0084]
为鉴定阻抑小鼠prnp基因表达的zfp-tf，我们设计并筛选了预计在小鼠prnp基因从转录起始位点(tss)上游约500bp至tss下游约500bp范围的区域中结合15bp或最高达22bp的序列的384个zfp-tf的文库(图1和图2)。zfp-tf的靶区域在两个图中用箭头表示，箭头的方向表示zfp-tf结合的dna链(5'到3')。zfp-tf中的192个是亲本蛋白质，而另一半是包含三个r到q突变的亲本蛋白质的变体(miller等人,nat biotechnol.(2019)37(8):945-52)。在该研究中，krab结构域序列(seq id no:262)用作转录阻抑物并融合到zfp结构域的c端。
[0085]
产生编码每个zfp-tf的信使rna，并以6剂稀释液等分到96孔板中。使用装置(lonza，瑞士)用mrna转染小鼠neuro2a细胞。24小时后，从细胞中提取总rna，并使用实时rt-qpcr监测prnp和两个参考基因(atp5b、eif4a2)的表达。为此，裂解细胞并按照制造商的说明使用c2ct试剂盒进行逆转录。taqman定量聚合酶链反
应(qpcr)用于测量prnp的表达水平。prnp表达水平相对于管家基因eif4a2和atp5b的表达水平的几何平均值归一化。模拟品转染和已知不靶向prnp的zfp-tf的转染用作阴性对照。
[0086]
图3a-d显示在施用指定量的mrna形式的zfp-tf后24小时的归一化prnp表达(指定的zfp-tf mrna剂量从左至右分别为3ng、10ng、30ng、100ng、300ng或1000ng)。zfp-tf阻抑prnp表达的能力也由图2中的颜色梯度表示，其中zfp-tf越强效，颜色越深。
[0087]
在384个zfp-tf中，选择了36个进行进一步研究。由这36个zfp-tf靶向的小鼠prnp基因组序列，以及zfp-tf中6个锌指的dna结合氨基酸序列如图4所示。相应zfp的完整氨基酸序列显示于图9a中。这36个zfp-tf中的每一个在neuro2a细胞中的活性如图5所示。图5中的数据表明zfp-tf##81185、81187、81189、81193、81199、81201、81208、81210、81228、81230、81234、81240、81244、81278、81282、81295、81303、81309和81312尤其有效，证明对小鼠prnp基因表达的剂量依赖性阻抑作用。
[0088]
实施例2：原代神经元中选定的zfp-tf的prnp阻抑活性
[0089]
我们接下来测试了小鼠原代皮层神经元中36个选定的zfp-tf的活性。根据制造商的方案培养原代小鼠皮层神经元(mcn；gibco)。使用人syn1启动子驱动表达将zfp-tf的编码序列克隆到重组aav2/6载体中。病毒在hek293t细胞中产生，使用cscl密度梯度纯化，并根据本领域已知的方法通过实时qpcr滴定。纯化的病毒用于以1x102vg/细胞、3x102vg/细胞、1x103vg/细胞、3x103vg/细胞、1x104vg/细胞或3x104vg/细胞感染div2培养的原代mcn。七天后，从神经元中提取总rna，并使用实时rt-qpcr监测prnp mrna和三个参考基因(atp5b、eif4a2和gapdh)的表达。
[0090]
数据显示，所有36个选定的zfp-tf对小鼠神经元中的prnp表达表现出强大的剂量依赖性阻抑活性(图6a和图6b)。
[0091]
实施例3：小鼠prnp zfp-tf的脱靶活性
[0092]
为评估小鼠prnp zfp-tf对整体基因表达的脱靶影响，我们对从用编码代表性朊病毒zfp-tf的aav6处理的原代小鼠皮层神经元中分离的总rna进行了微阵列实验。
[0093]
原代小鼠皮层神经元购自gibco。将细胞以200,000个细胞/孔接种到聚d-赖氨酸包被的24孔板上，并根据制造商的说明书使用含有glutamax
tm i补充剂、b27补充剂和青霉素/链霉素的gibco neurobasal培养基进行维持。接种后四十八小时(在div2)，用aav6以3e3 vg/细胞的感染复数(moi)感染细胞，并在7天后收获(在div9；每3-4天进行50％的培养基交换)。随后进行rna分离和微阵列分析。
[0094]
根据制造商的说明，使用genetitan
tm
平台(clariom s试剂盒)进行脱靶分析。使用tac软件分析了测定结果。对于fdr校正的p值≤0.05，认为基因是差异调节的。已知具有最小脱靶的zfp-tf和模拟品转染用作阴性对照。
[0095]
图7a显示了在原代小鼠皮层神经元中测试的36个代表性小鼠prnp zfp-tf的微阵列结果。观察到一系列脱靶特异性，其中一些zfp-tf表现出非常低的脱靶活性至没有脱靶活性。图7b显示了每个zfp-tf的失调的数量。
[0096]
实施例4：人ipsc衍生神经元中人prnp zfp-tf的活性
[0097]
在人ipsc衍生的gaba能神经元(cellular dynamics international)中测试了12个经设计靶向人prnp的zfp-tf。由这12个zfp-tf靶向的人prnp基因组序列，以及zfp-tf中锌指的dna结合氨基酸序列显示于图8a中。相应zfp的完整氨基酸序列显示于图9b中。将细
胞以每孔40,000个细胞的密度接种到聚-l-鸟氨酸和层粘连蛋白包被的96孔板上，然后根据制造商的说明维持。接种后48小时，用表达期望zfp-tf的aav6以6种不同的moi(1e3、3e3、1e4、3e4、1e5和3e5)转染细胞。将转导的细胞维持长达33天(每3-5天进行50％-75％的培养基更换)。aav感染后31天后收获细胞。
[0098]
将收获的细胞裂解，并按照制造商的说明使用c2ct试剂盒进行逆转录。taqman定量聚合酶链反应(qpcr)用于测量prnp的表达水平。prnp表达水平相对于管家基因eif4a2、atp5b和gapdh表达水平的几何平均值归一化。模拟品感染用作阴性对照。
[0099]
用靶向人prnp的zfp-tf证明了剂量依赖性阻抑。达到的最大阻抑超过99％，但也鉴定了将朊病毒阻抑到较小程度的zfp-tf(例如，在最高剂量下约90％、约75％或约80％)。
[0100]
靶向人prnp的12个示例性zfp-tf的剂量依赖性活性显示于图8b和8c中。这些数据表明，zfp-tf显示出一系列朊病毒阻抑活性概况，在最高剂量下测试的朊病毒mrna阻抑范围从约75％至大于99％。
[0101]
实施例5：人prnp zfp-tf的脱靶活性
[0102]
为评估人prnp zfp-tf对整体基因表达的脱靶影响，我们对从用编码代表性人prnp zfp-tf的aav处理的人ipsc衍生神经元中分离的总rna进行了微阵列实验。
[0103]
如实施例4中所述处理人ipsc衍生的神经元。对于微阵列分析，将细胞以每孔260,000个细胞的密度接种到聚-l-鸟氨酸和层粘连蛋白包被的24孔板上，接种后48小时用表达期望zfp-tf的aav6以1e5 vg/细胞进行转导，并在病毒转染后19天收获。从收获的细胞中分离总rna并用于微阵列分析。
[0104]
根据制造商的说明，使用genetitan
tm
平台(clariom s试剂盒)进行脱靶分析。使用tac软件分析了测定结果。对于fdr校正的p值≤0.05，认为基因是差异调节的。已知具有最小脱靶的zfp-tf和模拟品转染用作阴性对照。
[0105]
图8d显示了在人ipsc衍生的神经元中测试的12个人prnp zfp-tf的微阵列结果。观察到一系列脱靶特异性，其中一些zfp-tf表现出非常低的脱靶活性。图8e显示了每个zfp-tf的失调基因的数量。