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在一項新的研究中，來自韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）基因組工程中心的研究人員開發(fā)出一種新的基因編輯平臺，稱為轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物相關(guān)脫氫酶（transcription activator-like effector-linked deaminase, TALED）。TALED是能夠在線粒體中進(jìn)行A→G堿基轉(zhuǎn)換的堿基編輯器。這一發(fā)現(xiàn)是幾十年來治療人類遺傳疾病的一個高潮，而且TALED可以被認(rèn)為是基因編輯技術(shù)中最后一塊缺失的拼圖。相關(guān)研究結(jié)果于2022年4月25日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases”。
從1968年第一個限制性內(nèi)切酶的鑒定，1985年聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的發(fā)明，到2013年CRISPR介導(dǎo)的基因組編輯的展示，生物技術(shù)的每一個新的突破性發(fā)現(xiàn)都進(jìn)一步提高了我們操縱DNA這個生命藍(lán)圖的能力。特別是最近開發(fā)的稱為CRISPR-Cas系統(tǒng)的基因剪刀，使我們能夠?qū)罴?xì)胞進(jìn)行全面的基因組編輯。這為通過編輯我們基因組中的突變來治療以前無法治愈的遺傳疾病提供了新的可能性。 雖然基因編輯在細(xì)胞核基因組方面基本上是成功的，然而，科學(xué)家們在編輯也有自己的基因組的線粒體方面卻沒有成功。線粒體，即所謂的“細(xì)胞的能量工廠”，是細(xì)胞中的微小細(xì)胞器。由于它是能量代謝的重要細(xì)胞器，如果基因發(fā)生突變，就會引起與能量代謝有關(guān)的嚴(yán)重遺傳疾病。 論文通訊作者、IBS基因組工程中心主任Kim Jin-Soo解釋說，“有一些極其討厭的遺傳疾病是由于線粒體DNA的缺陷而產(chǎn)生的。例如，導(dǎo)致雙眼突然失明的萊伯遺傳性視神經(jīng)病變（Leber hereditary optic neuropathy, LHON）是由線粒體DNA的一個簡單單點突變引起的?！绷硪环N與線粒體基因有關(guān)的疾病是線粒體腦肌病伴乳酸中毒和中風(fēng)樣發(fā)作（mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidosis and stroke-like episodes, MELAS），它慢慢地破壞了患者的大腦。一些研究甚至表明，線粒體DNA的異常也可能是退行性疾病的原因，如阿爾茨海默病和肌肉萎縮癥。 線粒體基因組是由母系遺傳的。線粒體DNA有90個已知的致病性點突變，每5000人中至少有1人會發(fā)生這類突變。由于對線粒體的遞送方法的限制，許多現(xiàn)有的基因組編輯工具無法使用。例如，CRISPR-Cas平臺不適用于編輯線粒體中的這類突變，因為向?qū)NA（gRNA）無法進(jìn)入這種細(xì)胞器本身。 Kim補充說，“另一個問題是，這些線粒體疾病的動物模型很匱乏。這是因為目前不可能設(shè)計出構(gòu)建動物模型所需的線粒體突變。缺乏動物模型使得開發(fā)和測試這些疾病的治療方法非常困難。” 因此，對線粒體DNA（mtDNA）進(jìn)行編輯的可靠技術(shù)是基因組工程的最后前沿之一，為了征服所有已知的遺傳疾病，必須進(jìn)行探索，而世界上很多科學(xué)家們多年來一直努力使之成為現(xiàn)實。 2020年，由布羅德研究所的David R. Liu領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團(tuán)隊構(gòu)建出一種名為DddA衍生性胞嘧啶堿基編輯器（DddA-derived cytosine base editor, DdCBE）的新型堿基編輯器，可以在線粒體DNA中進(jìn)行C→T轉(zhuǎn)換。這是通過構(gòu)建一種稱為堿基編輯的新基因編輯技術(shù)而實現(xiàn)的，該技術(shù)在不破壞DNA的情況下將一個核苷酸堿基轉(zhuǎn)換為另一個核苷酸堿基。然而，這種技術(shù)也有其局限性。它不僅局限于C→T轉(zhuǎn)換，而且大多局限于TC基序，使它實際上成為TC→TT轉(zhuǎn)換器。這意味著它只能糾正90個確認(rèn)的致病性線粒體點突變中的9個（10%）。在很長一段時間里，線粒體DNA的A→G轉(zhuǎn)換被認(rèn)為是不可能的。 論文第一作者Cho Sung-Ik說，“我們開始思考如何克服這些限制。結(jié)果就是我們能夠構(gòu)建出一種名為TALED的新型基因編輯平臺，可以實現(xiàn)A→G轉(zhuǎn)換。我們的新型堿基編輯器極大地擴(kuò)展了線粒體基因組編輯的范圍。這不僅可以為制作疾病模型，而且可以為開發(fā)治療方法做出巨大貢獻(xiàn)?！敝档米⒁獾氖牵瑑H僅能夠在人類mtDNA中進(jìn)行A→G轉(zhuǎn)換，就可以校正90個已知致病性突變中的39個（=43%）。 這些作者通過將三個不同的組件融合在一起構(gòu)建出TALED。第一個組件是轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物（TALE），它能夠靶向DNA序列。第二個組件是TadA8e，它是一種促進(jìn)A→G轉(zhuǎn)換的腺嘌呤脫氨酶。第三個組件是DddAtox，它是一種胞嘧啶脫氨酶，使DNA更容易被TadA8e訪問。
圖片來自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.03.039。 TALED的一個有趣的方面是TadA8e有能力在擁有雙鏈DNA（dsDNA）的線粒體中進(jìn)行A→G編輯。這是一個神秘的現(xiàn)象，因為TadA8e是一種已知只對單鏈DNA（ssDNA）具有特異性的蛋白。Kim說，“以前沒有人想到用TadA8e在線粒體中進(jìn)行堿基編輯，因為它應(yīng)當(dāng)只對單鏈DNA具有特異性。正是這種跳出框框的思維方式，真正幫助我們發(fā)明了TALED。” 這些作者推測，DddAtox允許dsDNA通過瞬時解開雙鏈而被訪問。這個轉(zhuǎn)瞬即逝但短暫存在的時間窗口允許超級快速作用的TadA8e迅速進(jìn)行必要的編輯。除了調(diào)整TALED的組件外，他們還開發(fā)了一種能夠同時進(jìn)行A→G和C→T堿基編輯以及僅進(jìn)行A→G堿基編輯的技術(shù)。 這些作者通過構(gòu)建出含有所需mtDNA編輯的單細(xì)胞衍生克隆來展示了這種新技術(shù)。此外，他們發(fā)現(xiàn)TALED既沒有細(xì)胞毒性，也不會引起mtDNA的不穩(wěn)定。此外，在細(xì)胞核DNA中沒有不良的脫靶編輯，在mtDNA中也很少有脫靶效應(yīng)。他們?nèi)缜Ы锏哪繕?biāo)是通過提高編輯效率和特異性來進(jìn)一步改進(jìn)TALED，最終為校正胚胎、胎兒、新生兒或成年患者的致病性mtDNA突變鋪平道路。他們還專注于開發(fā)適用于葉綠體DNA的A→G堿基編輯的TALED。葉綠體DNA編碼植物光合作用中的重要基因。 IBS科學(xué)傳播者William I. Suh稱贊道，“我認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)的意義堪比2014年獲得諾貝爾獎的藍(lán)色LED的發(fā)明。就像藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）是讓我們擁有高能效的白光LED光源的最后一塊拼圖一樣，預(yù)計TALED將迎來基因組工程的新時代?！保?a >生物谷 Bioon.com） 參考資料： 1. Sung-Ik Cho et al. Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.03.039. 2. A new era of mitochondrial genome editing has begun   |
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