近日一項(xiàng)發(fā)表在Nature上的突破性研究（A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing）中，研究人員將利劍打成犁，將一種細(xì)菌毒素轉(zhuǎn)化為一種基因組編輯工具，這是第一次可以對(duì)細(xì)胞的"發(fā)電廠"線粒體中的DNA進(jìn)行精確的改變。

該工具在人體細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了作用，它可能開(kāi)啟一扇新的研究之門--以及未來(lái)數(shù)十種難以治療的由線粒體DNA (mtDNA)突變引起的疾病的新療法。

這些罕見(jiàn)的疾病，包括Leber遺傳性視神經(jīng)病變和致命的嬰兒心肌病--總發(fā)病率約為1 / 4000。到目前為止，對(duì)這些疾病的研究一直受到阻礙，部分原因是沒(méi)有辦法在小鼠品系中復(fù)制這種突變。南加州大學(xué)的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)家Joseph Hacia說(shuō)，新的DNA編輯器"非常具有創(chuàng)新性和開(kāi)拓性"。"它很有可能在老鼠身上起作用，我希望它將來(lái)會(huì)有治療意義。"

圖片來(lái)源：ANGELA GAO

成千上萬(wàn)的線粒體存在于大多數(shù)人類細(xì)胞中，每個(gè)線粒體都有自己的基因，這些線粒體可能是由細(xì)菌進(jìn)化而來(lái)。研究人員在糾正導(dǎo)致線粒體疾病的基因缺陷方面幾乎沒(méi)有取得什么進(jìn)展，其中許多疾病是由"點(diǎn)突變"引起的。在這種突變中，一個(gè)單一的DNA堿基--腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶或鳥(niǎo)嘌呤--被一個(gè)破壞所需蛋白質(zhì)或損害活性的堿基所取代。

線粒體基因編輯面臨的一個(gè)困難是：最著名的基因組編輯器CRISPR的一個(gè)關(guān)鍵組件太大，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)入線粒體；而其他能夠達(dá)到mtDNA的基因組編輯器卻無(wú)法精確地糾正點(diǎn)突變。

這項(xiàng)新研究中開(kāi)發(fā)的這一新工具結(jié)合了CRISPR的特點(diǎn)和一種叫做轉(zhuǎn)錄激活子樣效應(yīng)子(TALEs)的老技術(shù)，三個(gè)團(tuán)隊(duì)合力創(chuàng)建了這個(gè)新工具。

Marcos de Morae，他在華盛頓大學(xué)西雅圖分校的微生物學(xué)家Joseph Mougous的實(shí)驗(yàn)室工作。該團(tuán)隊(duì)研究了在資源稀缺的情況下，細(xì)菌如何分泌毒素來(lái)殺死其他細(xì)菌。

2018年，Marcos de Morae偶然發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)菌毒素，它有助于催化胞嘧啶轉(zhuǎn)化為尿嘧啶。(這種堿基在RNA中是正常的，但在DNA中它會(huì)自然地轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶。)更重要的是，毒素在DNA雙螺旋的兩條鏈上產(chǎn)生了這種以前從未見(jiàn)過(guò)的突變。

Mougous和劉如謙一樣是霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的研究員，但與劉如謙并不熟悉。盡管如此， Mougous仍然發(fā)郵件給劉如謙問(wèn)他是否有興趣合作，這種技術(shù)使用一個(gè)類似的酶催化劑--一種被稱為脫氨酶的酶與CRISPR技術(shù)的兩個(gè)組件結(jié)合在一起使用。

這些脫氨酶只對(duì)單鏈DNA起作用。CRISPR二人組包括一條RNA鏈，它幫助解開(kāi)雙螺旋結(jié)構(gòu)，并將脫氨酶運(yùn)送到單鏈上的精確目標(biāo)。但是這種引導(dǎo)RNA (gRNA)不能進(jìn)入線粒體。

Mougous說(shuō)，這兩個(gè)小組從一開(kāi)始就認(rèn)識(shí)到，新的堿基編輯器與劉如謙的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的編輯器相比沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。"這促使我們尋找它的有利市場(chǎng)。"事實(shí)證明這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)最終改變了mtDNA。

研究線粒體功能障礙的Broad研究所專家、HHMI的另一位研究員Vamsi Mootha也加入了合作。"我在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)25年了，這是我們第一次能夠[操縱細(xì)胞]，瞧，幾天后，你就編輯到了線粒體DNA。"

轉(zhuǎn)錄激活子樣效應(yīng)子(TALEs)和另一種早于CRISPR的基因組編輯器鋅指核酸酶都可以切斷線粒體的雙鏈DNA，并破壞它們。這有助于治療一些線粒體疾病，但不能糾正mtDNA點(diǎn)突變。

為了制造出一種更精細(xì)的工具，劉如謙實(shí)驗(yàn)室的研究生Beverly Mok將Mougous實(shí)驗(yàn)室的毒素衍生脫氨酶附在一個(gè)TALE上，TALE是一種蛋白質(zhì)，可以進(jìn)入線粒體，像gRNA一樣，引導(dǎo)復(fù)合物到達(dá)目標(biāo)。

因?yàn)槊摪泵笇?duì)線粒體是有毒的，研究人員把它分成兩半，只有在mtDNA目標(biāo)處才會(huì)結(jié)合在一起。"我們必須馴服這頭野獸，"劉如謙說(shuō)道。在對(duì)人類細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)中，胞嘧啶轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶的幾率高達(dá)50%。重要的是，他們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大量"偏離目標(biāo)"的編輯，這可以避免基因編輯可能造成的嚴(yán)重傷害。

在哥倫比亞大學(xué)研究線粒體疾病的Michio Hirano沒(méi)有參與這項(xiàng)工作，他說(shuō)這是一個(gè)"非常聰明的"策略，"解決了線粒體領(lǐng)域的歷史難題"。

在嘗試創(chuàng)建人類線粒體疾病的細(xì)胞和小鼠模型的基礎(chǔ)上，研究人員將尋找其他可以修改雙鏈DNA的細(xì)菌脫氨酶。他們還希望提高編輯效率，減少偏離目標(biāo)的基因編輯，以便mtDNA堿基編輯最終能在人體上進(jìn)行測(cè)試。"我們認(rèn)識(shí)到，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走，"劉如謙教授說(shuō)道。"現(xiàn)在我們有了藍(lán)圖，我希望這一領(lǐng)域的能量和資源將利用這些工具并繼續(xù)改進(jìn)它們。"

參考資料：

【1】New method to edit cell's 'powerhouse' DNA could help study variety of genetic diseases

【2】A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing

【3】Zapping mutant DNA in mitochondria could treat major class of genetic disease

【4】The Tale of the TALEs

【5】Novel CRISPR-derived 'base editors' surgically alter DNA or RNA， offering new ways to fix mutations