《自然》公布精确编辑线粒体DNA的基因编辑技术

来源：生物通

这一基因编辑器的关键部分来自工程细菌毒素，可以使人类线粒体发生单碱基变化

线粒体（细胞产生能量的细胞器）中的基因组参与疾病和关键的生物学功能，精确地改变这种DNA的能力将使科学家能够更多地了解这些基因和突变的影响，也将彻底改变了细胞核中DNA编辑的技术无法到达线粒体基因组的困境。

来自麻省理工学院，Broad研究所以及华盛顿大学医学院的一个团队利用一种新型分子编辑器打破了原有障碍，该分子编辑器可以使线粒体DNA中的C * G-to-T * A核苷酸发生精确变化。该编辑器是由细菌毒素改造而成，能够对与疾病相关的线粒体DNA突变进行建模，从而为更好地理解与癌症，衰老等相关的基因变化打开了新的大门。

这一新发现公布在Nature杂志上，由Broad研究所David Liu，HHMI研究员Joseph Mougous领导完成，文章一作是来自Broad研究所的研究生Beverly Mok，以及华盛顿大学博士后研究员Marcos de Moraes。

“我们团队首次开发了一种处理DNA的新方法，并首次使用它来精确编辑人类线粒体基因组，这为解决分子生物学中长期存在的挑战提供了解决方案。这项工作证明了基础研究和应用研究之间的合作，而且除了线粒体生物学以外，这一技术可能还有其他应用。”

“细菌毒剂”

目前研究线粒体DNA突变的大多数方法都需要使用患者来源的细胞或少数动物模型，“但是这些方法存在主要局限性，创建新的定义模型是不可能的”，作者之一Vamsi Mootha教授说。

尽管基于CRISPR的技术可以快速精确地编辑细胞核中的DNA，极大地促进了许多疾病的模型创建，但是这些工具仍无法编辑线粒体DNA，因为它们依赖于导向RNA靶向基因组中的位置。线粒体膜允许蛋白质进入细胞器，但不知是否有可运输RNA的途径。

当Mougous实验室鉴定出病原菌Burkholderia cenocepacia产生的有毒蛋白质时，一种潜在的解决方案出现了，这种蛋白质可以通过将双链DNA中的胞嘧啶（C）直接变为尿嘧啶（U）来杀死其他细菌。

“这种蛋白质的特殊之处在于，它具有靶向双链DNA的能力，并且它可能具有独特的编辑应用，以前描述的靶向DNA的所有脱氨酶只能以单链形式起作用，这限制了它的作用方式，”Mougous说。

之后他的团队解析了这种名为DddA的毒素的结构和生化特性。

“我们意识到这种'细菌毒剂'的特性可以使其与基于非CRISPR的DNA靶向系统配对，从而提高了使不依赖CRISPR或导向RNA的碱基编辑者的可能性，” Liu解释说，“最终，它帮助我们在生物学的最后一个角落（线粒体DNA）完成精确的基因组编辑。”

“驯服野兽”

研究小组的第一个主要挑战是消除这种成分的毒性，Liu和Mougous说，这就像是“驯服野兽”，因为要确保它可以编辑DNA而不会损坏细胞。研究人员将蛋白质分为两个非活性部分，只有结合在一起才能编辑DNA。

研究人员将驯服的细菌毒素的两半束缚在TALE DNA结合蛋白上，这种蛋白可以在不使用导向RNA的情况下定位，结合细胞核和线粒体中的靶向DNA序列。该复合体重新组装成其活性形式，并在该位置将C转换为U。最终导致C * G-to-T * A的基本编辑。

研究人员称这种工具为DddA-derived cytosine base editor (DdCBE)。

研究小组在人体细胞线粒体基因组中的五个基因上测试了DdCBE，发现DdCBE在多达50％的线粒体DNA中进行了精确的碱基编辑，然后他们研究了编码线粒体酶复合体I亚基的ND4基因，同时Mootha的实验室分析了所编辑细胞的线粒体生理学和化学性质，发现这些变化会按预期影响线粒体。

Mootha表示：“这是我职业生涯中第一次能够对线粒体DNA进行精确的编辑。这是一个巨大的飞跃，如果我们能够进行针对性的突变，我们就可以开发用于研究疾病的模型，确定突变在疾病中的实际作用，并筛选药物，分析药物对所涉及途径的影响。”

未来发展

现在，研究人员的一个目标是开发可以精确地在线粒体DNA中进行其他类型遗传改变的编辑器。

线粒体基因组编辑器具有长期的潜力，可以发展成为治疗线粒体源性疾病的疗法，它具有更直接的价值，可作为科学家用来更好地模拟线粒体疾病，并探索与线粒体生物学有关的基本问题的工具和遗传学”。

研究小组补充说，DdCBE的某些功能（例如不用RNA）可能对线粒体以外的其他基因编辑应用也具有吸引力。