久攻不克的线粒体基因编辑终将尘埃落定

2022-05-09 23:05

分子剪刀神器CRISPR-Cas9自问世以来，短短几年可谓是名震江湖，势不可挡地成为了现有基因编辑和修饰技术中效率最高且性价比最优的系统。然而，英雄也有无奈之时，面对线粒体这一被层层包裹的重要细胞器，CRISPR-Cas9却显得无从下手。

▲图片来源：http://www.precision-biotech.com/wp-content/uploads/2016/12/1-6.jpg

线粒体存在于除红细胞外的所有细胞中，为细胞提供能量ATP。不同于细胞内的其它结构，线粒体具有一些自己的遗传物质mtDNA，这些遗传物质仅从母亲那里遗传。线粒体的其余遗传物质位于细胞核中，所以患儿可从父母双方都遗传到异常，因此线粒体疾病是人类唯一的由两种基因组参与的疾病。

▲图片来源：What is CRISPR-Cas9? | Facts | yourgenome.org

近日，Cell杂志刊登的一篇综述再次将线粒体疾病引入公众的视野。线粒体疾病是由核或线粒体基因组编码的基因中广泛突变引起的临床异质性疾病。目前，线粒体疾病的治疗仍侧重于对症管理，而不是改善由特定突变引起的生化缺陷。究其原因，mtDNA的遗传特性是非常复杂的，每个细胞中都会有多个mtDNA的拷贝，mtDNA的突变可以是同质的（基本上所有的mtDNA都会受到影响），也可以是异质的（同时混合了突变和野生型的mtDNA）。mtDNA的突变在功能上是隐形的，因此即使存在突变的mtDNA，水平达到临界阈值时才能够观察到生化表型。

正是由于线粒体的这一特殊性，建立线粒体疾病的动物模型异常困难，线粒体基因组mtDNA中的基因数量很少，突变却又往往是致命性的，因此长久以来都是科学家们想要攻克的难点。

曙光来自2018年Nature上发表的一篇研究报道，来自华盛顿大学Joseph Mougous团队发现了一种细菌毒素(DddA)——可以将胞嘧啶(C)转化为尿嘧啶(U)，继而复制为胸腺嘧啶(T)，从而实现线粒体DNA由C到T的编辑。随后，哈佛大学Broad研究所和MIT的David R. Liu团队基于DddA这一灵感创建了一种新的精准碱基编辑器DdCBE，从而绕开CRISPR实现了线粒体基因编辑。

然而，C-T的转换只能纠正目前已证实的90个致病线粒体点突变中的9个，而面对占大部头的A-G相关的39种突变还是一筹莫展。就在短短几年后，来自首尔大学的Kim研究团队在Cell上发表了其重磅研究成果：全新的基因编辑平台——转录激活因子样效应物连接的脱氨酶(TALED)，依旧依赖于DddA和源自大肠杆菌TadA蛋白的腺嘌呤脱氨酶TadA8e，可诱导人线粒体中的靶向A-G编辑，并利用DddAtox这一胞嘧啶脱氨酶，使TadA8e更容易接近DNA从而发挥其作用。

量身定制设计的TALED在人体细胞中非常高效，可在线粒体基因中的17个靶位点催化A到G的转换，且TALED毫无细胞毒性，也罕见脱靶效应，因此不会引起线粒体基因组的不稳定。

研究人员现在的目标是通过提高编辑效率和特异性来进一步改进TALED，最终纠正胚胎、胎儿、新生儿或成年患者中引起疾病的线粒体基因组mtDNA突变铺平道路。此外，该小组还专注于开发适用于叶绿体DNA中A-G碱基编辑的TALED，用于编码植物光合作用中的必需基因。

无论是DdCBE还是TALED，二者都可以减少携带线粒体基因mtDNA突变的比例，而不减少拷贝数，尽管初步研究发现脱靶DNA的改变很少，但仍需要对不同细胞类型进行更多的研究，距离在临床上使用还有很长的路要走。正如Nature杂志对于DdCBE的评价所言，该研究成果是针对线粒体基因mtDNA疾病基因疗法的重要进展，让我们更好地了解了mtDNA突变与疾病以及细胞功能障碍的相关性。

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来源: qq

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