首次利用特殊细菌毒素来精确编辑线粒体DNA

来源：生物通

尽管CRISPR–Cas9系统彻底改变了基因组编辑，但这仅限的于核DNA——由于系统所需的引导RNA无法被运送进入线粒体内而无法应用于线粒体DNA。三位科学家合作开发了新的无CRISPR的DNA编辑器，无需引导RNA，可用于线粒体DNA编辑。

研究人员首次利用一种特殊的细菌毒素来精确编辑线粒体DNA，实现了CRISPR–Cas9系统以前无法完成的工作。

由线粒体DNA突变引起的疾病可能造成非常严重的后果，但科学界一直对此所知甚少。过去，研究这些疾病的科学家只能通过破坏线粒体中存在的DNA来消除这些突变，无法分离并纠正单个线粒体DNA突变。

尽管CRISPR–Cas9系统彻底改变了基因组编辑，但这些编辑仅限的于核DNA——由于系统所需的引导RNA无法被运送进入线粒体内而无法应用于线粒体DNA。霍华德·休斯医学研究所（美国马里兰州）的三名研究人员——Joseph Mougous（美国华盛顿大学），David Liu（哈佛大学和美国Broad研究院）和Vamsi Mootha（美国马萨诸塞州总医院以及Broad研究院）——合作开发了一种无需CRISPR的基因编辑工具，能够对线粒体DNA进行校正。

Mougous的实验室本来是专门研究细菌毒素的。偶然地，他们发现了一种脱氨酶毒素DddA—— 一种能够通过催化dsDNA上的胞嘧啶核苷脱氨来诱导突变的蛋白质——它可以直接作用于双链DNA，而不是预期中的RNA或单链DNA。

在验证了他们的发现之后，Mougus与Liu取得了联系，希望这个发现可以在基因编辑中得到应用。David Liu和他的团队以前已经开发了多种工具来进行精确的DNA编辑。但是，到那时为止，对编辑线粒体DNA仍不得其法。

大多数基因编辑技术（包括CRISPR–Cas9）都依赖于引导RNA的使用——而由于引导RNA无法被运送进入线粒体内，这些技术一直无法用于编辑线粒体DNA。

脱氨酶可直接作用于双链DNA，不需要引导RNA，是一种潜在的解决方案。但是，脱氨酶是一种自然产生的毒素，如果任其发挥，它将清除遇到的任何DNA。

为了解决这个问题，Liu的团队使用3D成像数据，通过设计将毒素分为两部分。单独的每个部分都没有活性且无毒，每个部分都可以与定制的靶向DNA的蛋白融合——当两组DNA结合蛋白分别相邻结合到靶DNA上，从而使得两个部分相邻聚集在一起时，连同其他元件一起产生了DddA衍生的无RNA胞嘧啶碱基编辑器（DdCBE），可催化人mtDNA中的C•G到T•A转化，并且具有高目标特异性和纯度。

这种方法确保了两个脱氨酶部分仅在与特定DNA片段结合时才能“团聚”并完成其基因编辑功能，从而可防止脱靶效应，从而无需引导RNA。

Mootha的实验室专门研究线粒体生物学，通过分析编辑是否成功来验证该技术。他们使用DdCBEs建模人类细胞中与疾病相关的mtDNA突变，从而导致呼吸速率和氧化磷酸化的改变。结果证明，除了在掺入突变的位置之外，线粒体功能得以保持。用不含CRISPR的DdCBE可以精确操纵mtDNA，而不是消除mtDNA拷贝，这对线粒体疾病的研究和潜在治疗具有广泛的意义。

“这是这个领域的一种变革性技术，” Mootha解释说。“过去，要创建线粒体DNA疾病的小鼠模型一直非常困难，这种技术使之变得可行。”