通过脑内基因编辑修复阿尔茨海默病模型小鼠生理性REM睡眠：靶向β1肾上腺素能受体的碱基编辑治疗新策略

《Nature Communications》：Prime editing of the β1 adrenoceptor in the brain restores physiological REM sleep in a mouse model of Alzheimer’s disease

本研究针对阿尔茨海默病(AD)相关的睡眠障碍问题，开发了AAV介导的Prime Editing(PE)技术，成功在小鼠脑内引入Adrb1A187V短睡眠突变。研究发现该编辑可恢复AD模型小鼠的生理性REM睡眠，降低NREM睡眠慢波活动(SWA)，并改善探索行为和识别记忆。该工作首次证实了PE技术在中枢神经系统遗传回路重构中的应用潜力，为神经退行性疾病的基因治疗提供了新思路。

　　

睡眠障碍与神经退行性疾病之间存在密切的恶性循环关系，特别是在阿尔茨海默病(AD)患者中，睡眠结构的破坏往往早于典型认知症状的出现。然而，传统药物干预难以实现精准的神经环路调控，且无法解决遗传因素导致的睡眠问题。近年来，基因编辑技术的突破为这类疾病的治疗带来了新的希望，但常规CRISPR-Cas9系统在非分裂的神经元中效率有限，且存在DNA双链断裂风险。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，苏黎世大学Gerald Schwank团队成功利用新型基因编辑技术——Prime Editing(PE)，通过脑内靶向编辑β₁肾上腺素能受体(β₁-AR)，在阿尔茨海默病模型小鼠中实现了睡眠障碍的精准干预。研究人员选择了一个天然存在的ADRB1基因变异（Adrb1^A187V），该变异在人类和小鼠中均与天然短睡眠特征相关。

关键技术方法包括：1）利用AAV-PHP.eB载体系统递送分裂内含肽介导的PE编辑器；2）采用PE3b策略（包含epegRNA和ngRNA）提升编辑效率；3）通过脑电图(EEG)/肌电图(EMG)记录分析睡眠结构；4）使用三维组织透明化技术定量分析淀粉样斑块沉积。

Adrb1基因位点pegRNA和ngRNA的优化

研究人员首先在细胞系中优化针对Adrb1基因的prime编辑系统。通过测试不同长度的逆转录模板(RTT)和引物结合位点(PBS)，发现pegRNA1结合PE3b ngRNA能在HEK293T细胞中实现高效编辑（图1a）。添加tevopreQ1结构模体可进一步提升编辑效率1.4倍（图1b）。在MMR功能完整的Hepa1-6和Neuro2a细胞中，采用PEmax变体并结合沉默突变(SM)策略，可显著提升编辑效率（图1d-e）。

大脑中Dnmt1和Adrb1位点的体内prime编辑

为实现在体应用，团队开发了基于Npu内含肽分裂系统的AAV载体（图2a）。新生小鼠侧脑室注射后6个月，大脑皮层编辑效率最高达28.1%（图2c）。hSyn1启动子介导的神经元特异性表达确保编辑特异性，在其他器官中未检测到脱靶编辑（图2e）。编辑效率在不同脑区存在差异，与AAV-PHP.eB的分布特征一致（图2d）。

A187V变异改变NREM睡眠期间的EEG慢波光谱功率'>

安装Adrb1^A187V变异改变NREM睡眠期间的EEG慢波光谱功率

编辑Adrb1^A187V显著影响睡眠稳态调控。EEG/EMG记录显示，虽然总睡眠时间无显著变化，但编辑小鼠在活动期（暗相位）的NREM睡眠慢波活动(SWA)显著降低（图3d），表明睡眠压力积累减少。编辑效率与SWA降低程度呈正相关（图3f），证实了表型与编辑效率的剂量依赖关系。

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引入Adrb1^A187V变异调节运动活动和探索行为

行为学实验表明，Adrb1编辑小鼠在家庭笼中活动时间显著增加（图4a），在旷场测试中运动距离和速度提升（图4c），探索行为（靠墙站立）增强（图4d）。新颖物体识别测试显示识别记忆改善，表明该变异对学习记忆有积极影响。

A187V在AD小鼠模型中恢复生理性REM睡眠量并调节NREM睡眠EEGδ功率'>

Adrb1^A187V在AD小鼠模型中恢复生理性REM睡眠量并调节NREM睡眠EEGδ功率

在APP-PS1阿尔茨海默病模型小鼠中，Adrb1^A187V编辑成功恢复了生理性REM睡眠量（图5b），并降低了NREM睡眠δ功率（图5c）。值得注意的是，编辑效率与觉醒时间增加和NREM睡眠正常化显著相关（图5d）。然而，三维组织成像显示β-淀粉样斑块沉积和小胶质细胞吞噬未显著改善（图5e-f），表明该干预主要针对睡眠障碍而非病理蛋白清除。

研究结论表明，Prime Editing技术能够高效精准地编辑大脑遗传回路，Adrb1^A187V变异的引入通过调节去甲肾上腺素能神经元兴奋性，显著改善睡眠结构和行为表现。这项工作不仅为睡眠障碍的基因治疗提供了新思路，也展示了PE技术在神经科学基础研究中的广泛应用前景。尽管在AD模型中对病理蛋白沉积的改善有限，但睡眠质量的提升可能为延缓疾病进展提供有益环境。未来研究可进一步探索不同神经退行性疾病阶段进行干预的最佳时间窗，以及与其他治疗策略的联合应用潜力。