本周，《自然》在线发表了关于基因编辑的一篇重要论文。来自华盛顿大学的Joseph Mougous教授与Broad研究所的刘如谦（David Liu）教授展开合作，开发出“第一款实现线粒体DNA精确编辑的分子工具”。

这项研究成果一经发表迅速引起业内的点赞。《自然》《科学》等顶尖学术期刊都特地刊发新闻介绍。研究线粒体疾病的专家评论说，这项研究用“非常巧妙的策略解决了线粒体领域的‘圣杯’问题”。

线粒体：基因编辑最后一个角落

利用CRISPR/Cas-9系统以及相关技术，科学家们现在已经可以方便且精确地改变DNA。但迄今为止，广泛使用的各种基因编辑工具，是在细胞核内发挥作用——大部分遗传信息的储存场所。是的，只是“大部分”。细胞中还有一部分遗传信息储存在线粒体内。

▲大多数人类细胞中存在成千上万的线粒体（红色），每个线粒体都有自己的基因（图片来源：Credit Tslil Ast/Mootha Lab）

线粒体内的DNA编码13种蛋白质，虽然不多，但每一种都参与细胞的能量供应。线粒体DNA突变可能导致数十种代谢疾病，包括心肌病、Leber遗传性视神经病变等，而且这些疾病至今没有治愈方法。如果有基因编辑工具可以精确纠正线粒体DNA，无疑将为治疗这类疾病打开大门。

然而，对于CRISPR系统来说，线粒体难以触达。困难之一是，CRISPR系统需要依靠一小段向导RNA定位到基因组特定位置，但没有人知道怎么让向导RNA穿越线粒体膜进入线粒体内。

“驯服野兽”

在这项研究中，这一障碍终于被打破！而其中的关键是一种特别的细菌毒素。

微生物学家Mougous教授与同事们在研究细菌之间如何用毒素相互攻击时，有了一个意外发现。他们找到一种细菌脱氨酶，可以直接修改双链DNA上的碱基，把其中的胞嘧啶（C）转变成尿嘧啶（U），从而杀死其他细菌。过去微生物学家们发现过一些细菌脱氨酶，而它们都是对单链DNA或单链RNA起作用。因此，作用于双链DNA的脱氨酶毒素显得十分异常。

科学家们敏锐地意识到，“这种细菌毒素的特性可以让它与非CRISPR的DNA定位系统配对，”刘如谦教授说道，“使我们最终在生物学的最后一个角落——线粒体DNA中进行精确的基因组编辑。”

▲一种特殊的脱氨酶可以直接修改DNA双链上的碱基（图片来源：Pixabay）

不过，这种细菌毒素对于人体细胞是有毒的，如果不加以控制，它将肆意破坏DNA。为了“驯服野兽”，科学家们设想了巧妙的办法：他们根据脱氨酶的蛋白质结构，将它一分为二，变成没有活性的两个片段，只有当它们到达特定位置后彼此相遇，才恢复脱氨酶功能。

为此，研究人员将脱氨酶的两个片段分别与TALE蛋白结合。后者是一种DNA结合蛋白，在线粒体靶向序列的作用下，它可以进入线粒体，并结合在特定的线粒体DNA序列上，让脱氨酶在此工作，最终把碱基C-G转变为T-A。

▲线粒体碱基编辑器DdCBE的工作原理（图片来源：参考资料[2]）

未来的发展

接下来，在人类细胞中，研究人员证实了DdCBE系统的编辑能力。他们测试了线粒体基因组中的5个基因，处理3~6天后，碱基编辑效率最高达到49%。

“这是一个质的飞跃，如果我们能制造靶向突变，就能开发模型研究与疾病相关的突变，确认突变在疾病中的实际影响，并针对相同通路筛选出药物。”主要作者之一、负责分析线粒体功能的Vamsi Mootha教授说。

而这个线粒体碱基编辑器还只是开始，Mougous教授说。科学家们希望继续找到更多的脱氨酶，开发出新的编辑器，对线粒体DNA的其他碱基进行修改。

正如《自然》评论的，实验性地改变线粒体基因组，可以帮助我们“更好地了解线粒体DNA突变在复杂疾病、癌症和衰老相关的细胞功能障碍中的作用”，同时这一研究“为发展线粒体疾病基因疗法做出了关键进展“，让我们看到了一个能够有效治疗线粒体疾病的未来。我们期待这一天的早日到来。

参考资料

[1] Beverly Mok et al. (2020) A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing. Nature. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2477-4

[2] Magomet Aushev & Mary Herbert (2020) Mitochondrial genome editing gets precise. Nature. DOI: 10.1038/d41586-020-01974-6

[3] New method to edit cell’s ‘powerhouse’ DNA could help study variety of genetic diseases. Retrieved July 10, 2020, from https://www.sciencemag.org/news/2020/07/new-method-edit-cell-s-powerhouse-dna-could-help-study-variety-genetic-diseases