上周，《自然》在線發(fā)表了關(guān)于基因編輯的一篇重要論文。來自華盛頓大學(xué)的Joseph Mougous教授與Broad研究所的劉如謙（David Liu）教授展開合作，開發(fā)出“第一款實(shí)現(xiàn)線粒體DNA精確編輯的分子工具”。

　　這項(xiàng)研究成果一經(jīng)發(fā)表迅速引起業(yè)內(nèi)的點(diǎn)贊?！蹲匀弧贰犊茖W(xué)》等頂尖學(xué)術(shù)期刊都特地刊發(fā)新聞介紹。研究線粒體疾病的專家評(píng)論說，這項(xiàng)研究用“非常巧妙的策略解決了線粒體領(lǐng)域的‘圣杯’問題”。

　　線粒體：基因編輯最后一個(gè)角落

　　利用CRISPR/Cas-9系統(tǒng)以及相關(guān)技術(shù)，科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)可以方便且精確地改變DNA。但迄今為止，廣泛使用的各種基因編輯工具，是在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮作用——大部分遺傳信息的儲(chǔ)存場(chǎng)所。是的，只是“大部分”。細(xì)胞中還有一部分遺傳信息儲(chǔ)存在線粒體內(nèi)。

大多數(shù)人類細(xì)胞中存在成千上萬的線粒體（紅色），每個(gè)線粒體都有自己的基因（圖片來源：Credit Tslil Ast/Mootha Lab）

　　線粒體內(nèi)的DNA編碼13種蛋白質(zhì)，雖然不多，但每一種都參與細(xì)胞的能量供應(yīng)。線粒體DNA突變可能導(dǎo)致數(shù)十種代謝疾病，包括心肌病、Leber遺傳性視神經(jīng)病變等，而且這些疾病至今沒有治愈方法。如果有基因編輯工具可以精確糾正線粒體DNA，無疑將為治療這類疾病打開大門。

　　然而，對(duì)于CRISPR系統(tǒng)來說，線粒體難以觸達(dá)。困難之一是，CRISPR系統(tǒng)需要依靠一小段向?qū)NA定位到基因組特定位置，但沒有人知道怎么讓向?qū)NA穿越線粒體膜進(jìn)入線粒體內(nèi)。

　　“馴服野獸”

　　在這項(xiàng)研究中，這一障礙終于被打破！而其中的關(guān)鍵是一種特別的細(xì)菌毒素。

　　微生物學(xué)家Mougous教授與同事們?cè)谘芯考?xì)菌之間如何用毒素相互攻擊時(shí)，有了一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)。他們找到一種細(xì)菌脫氨酶，可以直接修改雙鏈DNA上的堿基，把其中的胞嘧啶（C）轉(zhuǎn)變成尿嘧啶（U），從而殺死其他細(xì)菌。過去微生物學(xué)家們發(fā)現(xiàn)過一些細(xì)菌脫氨酶，而它們都是對(duì)單鏈DNA或單鏈RNA起作用。因此，作用于雙鏈DNA的脫氨酶毒素顯得十分異常。

　　科學(xué)家們敏銳地意識(shí)到，“這種細(xì)菌毒素的特性可以讓它與非CRISPR的DNA定位系統(tǒng)配對(duì)，”劉如謙教授說道，“使我們最終在生物學(xué)的最后一個(gè)角落——線粒體DNA中進(jìn)行精確的基因組編輯?！?/p>

一種特殊的脫氨酶可以直接修改DNA雙鏈上的堿基（圖片來源：Pixabay）

　　不過，這種細(xì)菌毒素對(duì)于人體細(xì)胞是有毒的，如果不加以控制，它將肆意破壞DNA。為了“馴服野獸”，科學(xué)家們?cè)O(shè)想了巧妙的辦法：他們根據(jù)脫氨酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，將它一分為二，變成沒有活性的兩個(gè)片段，只有當(dāng)它們到達(dá)特定位置后彼此相遇，才恢復(fù)脫氨酶功能。

　　為此，研究人員將脫氨酶的兩個(gè)片段分別與TALE蛋白結(jié)合。后者是一種DNA結(jié)合蛋白，在線粒體靶向序列的作用下，它可以進(jìn)入線粒體，并結(jié)合在特定的線粒體DNA序列上，讓脫氨酶在此工作，最終把堿基C-G轉(zhuǎn)變?yōu)門-A。

線粒體堿基編輯器DdCBE的工作原理

　　未來的發(fā)展

　　接下來，在人類細(xì)胞中，研究人員證實(shí)了DdCBE系統(tǒng)的編輯能力。他們測(cè)試了線粒體基因組中的5個(gè)基因，處理3~6天后，堿基編輯效率最高達(dá)到49%。

　　“這是一個(gè)質(zhì)的飛躍，如果我們能制造靶向突變，就能開發(fā)模型研究與疾病相關(guān)的突變，確認(rèn)突變?cè)诩膊≈械膶?shí)際影響，并針對(duì)相同通路篩選出藥物。”主要作者之一、負(fù)責(zé)分析線粒體功能的Vamsi Mootha教授說。

　　而這個(gè)線粒體堿基編輯器還只是開始，Mougous教授說?？茖W(xué)家們希望繼續(xù)找到更多的脫氨酶，開發(fā)出新的編輯器，對(duì)線粒體DNA的其他堿基進(jìn)行修改。

　　正如《自然》評(píng)論的，實(shí)驗(yàn)性地改變線粒體基因組，可以幫助我們“更好地了解線粒體DNA突變?cè)趶?fù)雜疾病、癌癥和衰老相關(guān)的細(xì)胞功能障礙中的作用”，同時(shí)這一研究“為發(fā)展線粒體疾病基因療法做出了關(guān)鍵進(jìn)展“，讓我們看到了一個(gè)能夠有效治療線粒體疾病的未來。我們期待這一天的早日到來。

分享最新科技資訊，發(fā)布前沿學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)！一切盡在木木西里~ 服務(wù)科研，助力科技！ 關(guān)注微信公眾號(hào)：木木西里（mumuxilinj），更多精彩內(nèi)容、新聞資訊、干貨資源等你來看！

特別聲明：本文發(fā)布僅僅出于傳播信息需要，并不代表本公共號(hào)觀點(diǎn)；如其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本公眾號(hào)轉(zhuǎn)載使用，請(qǐng)向原作者申請(qǐng)，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任。