4月26日，一篇在線發(fā)表于《細胞》雜志的論文介紹了一項重要突破：來自韓國的研究團隊首次在線粒體DNA中實現(xiàn)A堿基到G堿基的轉換，為基因編輯技術填補上一塊至關重要的拼圖，也帶來了治愈多種線粒體遺傳病的希望。

從上世紀60年代首次發(fā)現(xiàn)限制性內切酶，到1985年發(fā)明PCR技術，再到最近十年CRISPR技術誕生、用于活體生物的基因編輯，短短半個世紀，人類在一次又一次的突破中實現(xiàn)了操縱DNA能力的巨大飛躍。其中，CRISPR的出現(xiàn)更是讓科學家能高效編輯基因組中的致病突變，為眾多遺傳病提供全新的治療方案。

不過，還有一朵烏云長期籠罩在基因編輯領域的上空，這就是線粒體DNA的編輯。

作為參與能量代謝的重要細胞器，線粒體中也含有少量來自母系的DNA。如果這部分基因發(fā)生突變，則可能導致多種與代謝相關的遺傳疾病。

例如，Leber遺傳性視神經病變（LHON）可能導致患者失明，這種兇險的疾病就是由線粒體DNA的點突變導致的。線粒體DNA突變還可能導致某些線粒體腦肌病，患者的大腦遭受損傷，可能出現(xiàn)癲癇、精神行為異常等癥狀。平均每5000個人里，就有一個人患上線粒體點突變導致的遺傳病。

盡管基因編輯工具最近十年迎來爆發(fā)式發(fā)展，但面對線粒體遺傳病時，這些工具卻總是難以奏效。例如，當下最為盛行的CRISPR-Cas系統(tǒng)就因為向導RNA不能穿越線粒體膜，因而無法用于治療線粒體疾病。

線粒體DNA的編輯，可以說是基因編輯領域最后一塊未經涉足的土地，而這個難題也成為治愈多種遺傳疾病必須跨越的障礙。

2020年，一項革命性的突破到來。Broad研究所的劉如謙教授團隊開發(fā)了一款名為DdCBE的基因編輯工具，可以直接修改雙鏈DNA上的堿基，實現(xiàn)從C堿基到T堿基的轉換，這也是科學家首次在人體細胞中進行線粒體DNA的編輯。

不過，作為線粒體DNA編輯的開拓性成果，DaCBE也有不足之處：其只能高效地進行TC-TT序列的轉換，在90個已知的致病線粒體突變位點中，只有9個能得到修復。

而在這90個突變位點中，有多達39個都可以通過A-G堿基的轉換來修復。如果能找到實現(xiàn)A-G轉換的手段，那么包括上述兩種疾病在內，多種線粒體遺傳病都有望迎來治愈的方法。

在這項發(fā)表于《細胞》的最新研究中，來自韓國基礎科學研究所基因編輯中心的研究團隊終于完成了這項“不可能的任務”，他們開發(fā)出一款全新的基因編輯平臺，命名為轉錄激活因子樣效應物相關脫氫酶（transcription activator-like effector-linked deaminases，簡稱TALED）。

▲TALED編輯線粒體DNA的示意圖（圖片來源：參考資料[1]）

TALED到底是什么？接下來我們將看到，TALED由3個功能各異的主要部分組成，它們環(huán)環(huán)相扣、共同協(xié)作，最終完成這項基因編輯任務。

第一個部分，可以看作TALED的向導。前面說到，常見的基因編輯系統(tǒng)無法進入線粒體。為了解決這個問題，TALED與劉如謙團隊開發(fā)的DaCBE一樣，使用了轉錄激活因子樣效應物（TALE）。作為一種DNA結合蛋白，TALE蛋白能夠靶向特異的DNA序列，其在線粒體靶向序列（MTS）的引導下進入線粒體，并且與特定的線粒體DNA序列結合。

到這里，TALED就被帶到了工作場所。在這里，輪到TALED的第二個部分登場。研究團隊需要找到合適的脫氫酶，在這里實現(xiàn)A-G堿基的轉換。為此，他們選擇是名為TadA8e的腺嘌呤脫氫酶，其由大腸桿菌的腺嘌呤脫氫酶改造而來。

這個選擇頗具創(chuàng)意，因為TadA8e被認為是一種專門對單鏈DNA起作用的蛋白，但在這里，它需要在線粒體的雙鏈DNA中進行堿基編輯。

這篇論文的通訊作者，基因編輯中心主任KIM Jin-Soo教授說：“沒有人想過用TadA8e在線粒體中進行堿基編輯，因為它被認為只對單鏈DNA起作用。正是這個跳出傳統(tǒng)框架的想法，幫助我們發(fā)明了TALED?！?/p>

而幫助TadA8e做到這一點的，是TALED的最后一個主要部分：胞嘧啶脫氫酶DddAtox。DddAtox使得雙鏈DNA可以短暫地解開，而TadA8e正是抓住了這個轉瞬即逝的時間窗口，在人類細胞的線粒體中高效催化A-G堿基的轉換，編輯頻率可高達49%。

▲TALED實現(xiàn)了A-G堿基的轉換（圖片來源：參考資料[1]）

通過對TALED的調整，研究團隊分別開發(fā)出能同時實現(xiàn)A-G以及C-T堿基轉換的技術，以及僅進行A-G轉換的技術。

當然，作為一項開創(chuàng)性的技術，TALED仍有不完美之處，例如在進行堿基編輯時，可能會造成與目標位點相鄰的核苷酸也發(fā)生轉換；此外，TALED是否會在哺乳動物細胞中產生脫靶效應也有待觀察。

但毫無疑問，TALED技術的出現(xiàn)讓我們又多了一種極具潛力的基因編輯工具，吹散基因編輯最后的烏云。展望這項技術的未來應用場景，研究團隊希望能提升TALED的編輯效率與特異性，最終能夠分別在胚胎、新生兒與成年患者體內修正致病的線粒體突變。我們期待，那些受困于線粒體遺傳病的人們終將迎來治愈的一刻。

參考資料：

[1] Sung-Ik Cho, Seonghyun Lee, Young Geun Mok, Kayeong Lim, Jaesuk Lee, Ji Min Lee, Eugene Chung, Jin-Soo Kim. (2022). Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases. Cell. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.039

[2] A new era of mitochondrial genome editing has begun. Retrieved Apr 25th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/950486

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