Cell：补齐基因编辑最后缺口，开启线粒体基因编辑新时代

中国实验动物学会  |   2022-04-27 16:41
从1968年第一个限制性内切酶的发现、到1985年聚合酶链式反应（PCR）技术的发明，再到2013年 CRISPR 基因编辑技术的应用，生物技术的每一个突破性发现都进一步提高了我们操纵 DNA，乃至调控生命蓝图的能力。 特别是 CRISPR 基因编辑技术的成功应用，让我们能以前所未有的效率对活细胞和个体进行全面的基因编辑，也让我们能够治疗之前无能为力的遗传疾病。 基因编辑技术在细胞核基因组的编辑中取得了辉煌的成绩，但是在线粒体基因组编辑中却滞后很多。线粒体（mitochondrion）是细胞的“能量工厂”，线粒体内有一套独立于细胞核的遗传物质——线粒体DNA（mtDNA），人类线粒体 DNA 的长度为16569bp，拥有37个基因，编码13种蛋白，这些蛋白都参与细胞的能量代谢。 由于线粒体在能量稳态中的重要作用，线粒体 DNA 中的点突变就可导致发育障碍、神经肌肉疾病、癌症进展等等多种严重疾病。目前 线粒体 DNA 中有90个已知的致病点突变，约5000人中就有1人患病。 然而，由于靶向线粒体的递送方法的限制，使得现有的基因组编辑工具难以应用，例如基于 CRISPR 的基因编辑工具，因为 gRNA 无法有效导入线粒体，导致其无法编辑线粒体 DNA。 此外，因为缺乏线粒体基因编辑工具，也导致了现在非常缺乏研究线粒体 DNA 突变的动物模型，这极大地限制了对线粒体遗传病的研究和治疗。 因此，开发针对线粒体 DNA 的基因编辑工具一直是线粒体遗传学领域的长期目标。在线粒体 DNA 中精确诱导碱基突变，有助于解释这些突变在发病机制中的作用，也可作为相应的治疗方法。 2022年4月25日，韩国基础科学研究院金镇秀（Jin-Soo Kim）团队在 Cell 发表了题为：Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases 的研究论文。 该研究开发了一种新型线粒体碱基编辑平台——转录激活因子样效应物连接的脱氨酶（TALED），首次实现了在线粒体中进行 A to G 的碱基转换，为基因编辑补上了最后一块缺失的拼图。大大扩展了当前对线粒体基因编辑的范围，不仅可以用于建立线粒体疾病模型，还可以用来治疗线粒体遗传疾病。 对线粒体 DNA 进行可靠的基因编辑，是现代基因组工程最后未完全攻破的堡垒之一，世界上许多优秀的科学家多年来一直致力于解决这个难题。 2020年8月，刘如谦团队在 Nature 发表论文，他开发了一种不依赖 CRISPR 的碱基编辑器——DdCBE，能够实现对线粒体 DNA 的精准编辑，为研究线粒体遗传病和治疗线粒体遗传病带来了前所未有的工具。 但这一工具也有其局限性，只能对线粒体 DNA 进行 C-to-T 转换，实际上，只能高效地进行 TC to TT 转换，这意味着该工具只能编辑现在已知的90个线粒体 DNA 点突变中的9个，对其他90%的线粒体 DNA 点突变无能为力。 刘如谦团队在 Nature Biotechnology 期刊发表论文，对其两年前开发的线粒体碱基编辑器 DdCBE 进行了重要升级，提高了编辑效率和序列编辑范围，能对TC、AC、CC位点进行更高效的编辑。 但仍未实现线粒体 DNA 中 A to G 的转换。 在这篇 Cell 论文中，研究团队创建了一个名为 TALED 的新型线粒体基因编辑平台，可以实现线粒体 DNA 的 A-to-G 转换。值得注意的是，仅在人类线粒体 DNA 中进行 A to G 转换就可以纠正90个已知线粒体点突变中的39个（43%）。TALED 极大地扩展了线粒体基因编辑的范围，不仅可以用于建立线粒体疾病模型，还可以用来治疗线粒体遗传疾病。 研究团队通过融合三个不同组分创建出了 TALED，第一个组分是转录激活因子样效应物（TALE），它能够靶向 DNA 序列；第二个组分是 TadA8e，这是一种促进 A to G 转换的腺嘌呤脱氨酶；第三个组分是 DddAtox，这是一种胞嘧啶脱氨酶，它使 TadA8e 更容易接近 DNA。 TadA8e 此前被认为是一种只对单链 DNA 具有特异性的脱氨酶，因此没人想要使用它来进行基因编辑，但这项研究显示，TadA8e 能够在具有双链 DNA 的线粒体中进行 A to G 转换。 该研究的通讯作者金镇秀（Jin-Soo Kim）表示：正是这种跳出框框的思维方式真正帮助我们发明了 TALED。DddAtox 能够瞬时打开双链 DNA，这个转瞬即逝的时间窗口，足以使超速效酶 TadA8e 快速进行 A to G 转换，编辑效率高达49%。此外，研究团队还开发了能够同时进行 A-to-G 和 C-to-T 转换以及仅 A-to-G 转换的编辑工具。 研究团队进一步验证了该工具的安全性，他们发现 TALED 既没有细胞毒性，也不会导致线粒体 DNA 不稳定。此外，没有对细胞核 DNA 造成不良脱靶编辑，mtDNA 中的脱靶编辑也很少。 最后，研究团队表示，接下来的目标是提高 TALED 的编辑效率和特异性，为最终在胚胎、胎儿、婴儿或成年患者中编辑引起疾病的线粒体基因突变铺平道路。此外，研究团队还在开发适用于植物叶绿体 DNA 中 A to G 转换的 TALED，用来改善植物的光合作用效率。 来源：生物世界