重磅基因編輯工具誕生,填補最後一個角落
本週,《自然》在線發表了關於基因編輯的一篇重要論文。來自華盛頓大學的Joseph Mougous教授與Broad研究所的劉如謙(David Liu)教授展開合作,開發出“第一款實現線粒體DNA精確編輯的分子工具”。
這項研究成果一經發表迅速引起業內的點贊。《自然》《科學》等頂尖學術期刊都特地刊發新聞介紹。研究線粒體疾病的專家評論說,這項研究用“非常巧妙的策略解決了線粒體領域的’聖杯’問題”。
線粒體:基因編輯最後一個角落
利用CRISPR/Cas-9系統以及相關技術,科學家們現在已經可以方便且精確地改變DNA。但迄今為止,廣泛使用的各種基因編輯工具,是在細胞核內發揮作用——大部分遺傳信息的儲存場所。是的,只是“大部分”。細胞中還有一部分遺傳信息儲存在線粒體內。
大多數人類細胞中存在成千上萬的線粒體(紅色),每個線粒體都有自己的基因(圖片來源:Credit Tslil Ast/Mootha Lab)
線粒體內的DNA編碼13種蛋白質,雖然不多,但每一種都參與細胞的能量供應。線粒體DNA突變可能導致數十種代謝疾病,包括心肌病、Leber遺傳性視神經病變等,而且這些疾病至今沒有治愈方法。如果有基因編輯工具可以精確糾正線粒體DNA,無疑將為治療這類疾病打開大門。
然而,對於CRISPR系統來說,線粒體難以觸達。困難之一是,CRISPR系統需要依靠一小段嚮導RNA定位到基因組特定位置,但沒有人知道怎麼讓嚮導RNA穿越線粒體膜進入線粒體內。
“馴服野獸”
在這項研究中,這一障礙終於被打破!而其中的關鍵是一種特別的細菌毒素。
微生物學家Mougous教授與同事們在研究細菌之間如何用毒素相互攻擊時,有了一個意外發現。他們找到一種細菌脫氨酶,可以直接修改雙鏈DNA上的鹼基,把其中的胞嘧啶(C)轉變成尿嘧啶(U),從而殺死其他細菌。過去微生物學家們發現過一些細菌脫氨酶,而它們都是對單鏈DNA或單鏈RNA起作用。因此,作用於雙鏈DNA的脫氨酶毒素顯得十分異常。
科學家們敏銳地意識到,“這種細菌毒素的特性可以讓它與非CRISPR的DNA定位系統配對,”劉如謙教授說道,“使我們最終在生物學的最後一個角落——線粒體DNA中進行精確的基因組編輯。”
一種特殊的脫氨酶可以直接修改DNA雙鏈上的鹼基(圖片來源:Pixabay)
不過,這種細菌毒素對於人體細胞是有毒的,如果不加以控制,它將肆意破壞DNA。為了“馴服野獸”,科學家們設想了巧妙的辦法:他們根據脫氨酶的蛋白質結構,將它一分為二,變成沒有活性的兩個片段,只有當它們到達特定位置後彼此相遇,才恢復脫氨酶功能。
為此,研究人員將脫氨酶的兩個片段分別與TALE蛋白結合。後者是一種DNA結合蛋白,在線粒體靶向序列的作用下,它可以進入線粒體,並結合在特定的線粒體DNA序列上,讓脫氨酶在此工作,最終把鹼基CG轉變為TA。
線粒體鹼基編輯器DdCBE的工作原理
未來的發展
接下來,在人類細胞中,研究人員證實了DdCBE系統的編輯能力。他們測試了線粒體基因組中的5個基因,處理3~6天后,鹼基編輯效率最高達到49%。
“這是一個質的飛躍,如果我們能製造靶向突變,就能開發模型研究與疾病相關的突變,確認突變在疾病中的實際影響,並針對相同通路篩選出藥物。”主要作者之一、負責分析線粒體功能的Va MSI Mootha教授說。
而這個線粒體鹼基編輯器還只是開始,Mougous教授說。科學家們希望繼續找到更多的脫氨酶,開發出新的編輯器,對線粒體DNA的其他鹼基進行修改。
正如《自然》評論的,實驗性地改變線粒體基因組,可以幫助我們“更好地了解線粒體DNA突變在復雜疾病、癌症和衰老相關的細胞功能障礙中的作用”,同時這一研究“為發展線粒體疾病基因療法做出了關鍵進展“,讓我們看到了一個能夠有效治療線粒體疾病的未來。我們期待這一天的早日到來。