“能量工廠”病了怎麼辦?科學家首次實現線粒體精準基因編輯
2020年07月10日15:36

原標題:“能量工廠”病了怎麼辦?科學家首次實現線粒體精準基因編輯

線粒體疾病研究將開啟一個新的時代。

當地時間7月8日,頂級學術期刊《自然》(Nature)在線發表了一項研究,題為“A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing”。來自美國麻省理工學院-哈佛大學博德研究所化學生物學家劉如謙(David R. Liu)和華盛頓大學醫學院微生物學家Joseph Mougous領導的研究團隊合作開發了不依賴CRISPR系統的新型堿基編輯器(DdCBE),首次實現對線粒體基因組(mtDNA)的精準編輯。

線粒體被稱為細胞的“能量工廠”,線粒體基因突變疾病通常由母系遺傳,損害了細胞產生能量的能力。與核基因組相比,線粒體基因組中的基因數量較少,但這些突變尤其會損害神經系統和肌肉,也包括心臟,對遺傳這些基因突變的人來說可能是致命的。

然而,由於無法有效引導RNA進入被膜包裹的線粒體內等原因,“基因魔剪” CRISPR-Cas9對修飾線粒體DNA至今束手無策。

一種特殊的細菌毒素為這一研究領域帶來了轉機。2018年,Mougous團隊發現了一種叫做DddA的酶,它是由伯克霍爾德菌(Burkholderia cenocepacia)產生的一種毒素,可以在DNA雙鏈上催化胞嘧啶(C)轉化為尿嘧啶(U)。值得一提的是,它可以直接作用於雙鏈DNA,而不需要Cas9酶來解旋。

實際上,細菌毒素代表了一個巨大的生物化學多樣性蓄水池,可以重新用於生物醫學應用,其中的一些成員已在基因編輯技術中得到應用。例如劉如謙之前開發的單堿基編輯器即利用胞苷脫氨酶,但這種酶只作用於單鏈DNA,劉如謙必須依靠Cas9酶來破壞DNA,正因如此該技術也無法適用於線粒體基因組。

2018年底,劉如謙團隊收到來自Mougous的郵件,隨後兩個團隊達成合作。他們判斷,DddA適用於線粒體基因組。但是,要把DddA變成一種可行的基因組編輯工具,劉如謙等人還比如將其打磨。

修改雙鏈DNA的能力同時使得這種酶致命,它會讓每一個遇到的C位點發生突變。為防止這種情況發生,研究團隊將酶分解成兩部分,只有當它們在編輯位點結合在一起時,才能恢復活性改變DNA。此外,該基因編輯工具遞送到線粒體基質必須要穿過線粒體的雙層膜,研究團隊使用線粒體靶向信號(MTS)的氨基酸序列標記了基因編輯工具,利用線粒體的蛋白質吸收機製穿過線粒體的雙層膜。

同時需要注意的是,DddA作為一種胞苷脫氨酶,它能將胞嘧啶(C)脫氨變為尿嘧啶(U),但U是RNA堿基,在DNA中易被尿嘧啶-DNA糖基化酶切掉,又恢復成C。研究團隊最終利用尿嘧啶糖基化酶抑製劑(UGI)排除了這一干擾。這一步將編輯效率提高了近8倍。

總的來說,研究設計了無毒且無活性的split-DddA半分子,DddA分裂半體與轉錄激活子樣效應子陣列蛋白(TALE)和尿嘧啶糖基化酶抑製劑融合,產生了無RNA的DddA衍生的胞嘧啶堿基編輯器(DdCBE),可催化人mtDNA中的C•G到T•A轉化,具有高靶標特異性和產品純度。

該研究使用DdCBEs建模人類細胞中與疾病相關的mtDNA突變,結果顯示,不依賴CRISPR的DdCBE可以精確操縱mtDNA,催化人mtDNA中C•G到T•A的轉化的編輯效率在4.6%-49%之間。

邁阿密大學的線粒體遺傳學家Carlos Moraes評價道,“這是一個非常令人興奮的進展,有了修改線粒體DNA的能力,我們就可以提出以前無法提出的問題。”哥倫比亞大學線粒體疾病研究專家Michio Hirano甚至稱讚這一策略 “問鼎了線粒體研究領域的聖盃”。

不過,劉如謙謹慎提醒說,這項研究距離臨床應用還有很長的路要走。他說,儘管他的團隊最初的研究顯示很少有脫靶現象,但還需要對不同的細胞類型進行更多的研究,這畢竟是基因編輯技術的常見問題。

劉如謙團隊預計,這一最新的線粒體編輯工具可以修復49%已知的線粒體有害基因突變,將為線粒體遺傳病的研究、治療和預防帶來了前所未有的希望。

儘管醫學應用還很遙遠,但英國劍橋大學線粒體遺傳學家Michal Minczuk表示,通過使用這項技術生成動物模型,研究線粒體突變的影響,研究人員將在短期內受益。“我們可以極大地加快這一進程,這是一個驚人的進步。”

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