Cell：補齊基因編輯最後缺口開啟線粒體基因編輯新時代
從1968年第一個限制性內切酶的發現、到1985年聚合酶鍊式反應（PCR）技術的發明，再到2013年CRISPR 基因編輯技術的應用，生物技術的每一個突破性發現都進一步提高了我們操縱DNA，乃至調控生命藍圖的能力。特別是CRISPR 基因編輯技術的成功應用，讓我們能以前所未有的效率對活細胞和個體進行全面的基因編輯，也讓我們能夠治療之前無能為力的遺傳疾病。
基因編輯技術在細胞核基因組的編輯中取得了輝煌的成績，但是在線粒體基因組編輯中卻滯後很多。線粒體（mitochondrion）是細胞的“能量工廠”，線粒體內有一套獨立於細胞核的遺傳物質——線粒體DNA（mtDNA），人類線粒體DNA 的長度為16569bp，擁有37個基因，編碼13種蛋白，這些蛋白都參與細胞的能量代謝。
由於線粒體在能量穩態中的重要作用，線粒體DNA 中的點突變就可導致發育障礙、神經肌肉疾病、癌症進展等等多種嚴重疾病。目前線粒體DNA 中有90個已知的致病點突變，約5000人中就有1人患病。
然而，由於靶向線粒體的遞送方法的限制，使得現有的基因組編輯工具難以應用，例如基於CRISPR 的基因編輯工具，因為gRNA 無法有效導入線粒體，導致其無法編輯線粒體DNA。
此外，因為缺乏線粒體基因編輯工具，也導致了現在非常缺乏研究線粒體DNA 突變的動物模型，這極大地限制了對線粒體遺傳病的研究和治療。
因此，開發針對線粒體DNA 的基因編輯工具一直是線粒體遺傳學領域的長期目標。在線粒體DNA 中精確誘導鹼基突變，有助於解釋這些突變在發病機制中的作用，也可作為相應的治療方法。
2022年4月25日，韓國基礎科學研究院金鎮秀（Jin-Soo Kim）團隊在Cell 發表了題為：Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases 的研究論文。
該研究開發了一種新型線粒體鹼基編輯平台——轉錄激活因子樣效應物連接的脫氨酶（TALED），首次實現了在線粒體中進行A to G 的鹼基轉換，為基因編輯補上了最後一塊缺失的拼圖。大大擴展了當前對線粒體基因編輯的範圍，不僅可以用於建立線粒體疾病模型，還可以用來治療線粒體遺傳疾病。對線粒體DNA 進行可靠的基因編輯，是現代基因組工程最後未完全攻破的堡壘之一，世界上許多優秀的科學家多年來一直致力於解決這個難題。
2020年8月，劉如謙團隊在Nature 發表論文，他開發了一種不依賴CRISPR 的鹼基編輯器——DdCBE，能夠實現對線粒體DNA 的精準編輯，為研究線粒體遺傳病和治療線粒體遺傳病帶來了前所未有的工具。但這一工具也有其局限性，只能對線粒體DNA 進行C-to-T 轉換，實際上，只能高效地進行TC to TT 轉換，這意味著該工具只能編輯現在已知的90個線粒體DNA 點突變中的9個，對其他90%的線粒體DNA 點突變無能為力。
2022年4月4日，劉如謙團隊在Nature Biotechnology 期刊發表論文，對其兩年前開發的線粒體鹼基編輯器DdCBE 進行了重要升級，提高了編輯效率和序列編輯範圍，能對TC、AC、CC位點進行更高效的編輯。
但仍未實現線粒體DNA 中A to G 的轉換。
在這篇Cell 論文中，研究團隊創建了一個名為TALED 的新型線粒體基因編輯平台，可以實現線粒體DNA 的A-to-G 轉換。值得注意的是，僅在人類線粒體DNA 中進行A to G 轉換就可以糾正90個已知線粒體點突變中的39個（43%）。TALED 極大地擴展了線粒體基因編輯的範圍，不僅可以用於建立線粒體疾病模型，還可以用來治療線粒體遺傳疾病。
研究團隊通過融合三個不同組分創建出了TALED，第一個組分是轉錄激活因子樣效應物（TALE），它能夠靶向DNA 序列；第二個組分是TadA8e，這是一種促進A to G 轉換的腺嘌呤脫氨酶；第三個組分是DddAtox，這是一種胞嘧啶脫氨酶，它使TadA8e 更容易接近DNA。
TadA8e 此前被認為是一種只對單鏈DNA 具有特異性的脫氨酶，因此沒人想要使用它來進行基因編輯，但這項研究顯示，TadA8e 能夠在具有雙鏈DNA 的線粒體中進行A to G 轉換。
該研究的通訊作者金鎮秀（Jin-Soo Kim）表示：正是這種跳出框框的思維方式真正幫助我們發明了TALED。DddAtox 能夠瞬時打開雙鏈DNA，這個轉瞬即逝的時間窗口，足以使超速效酶TadA8e 快速進行A to G 轉換，編輯效率高達49%。此外，研究團隊還開發了能夠同時進行A-to-G 和C-to-T 轉換以及僅A-to-G 轉換的編輯工具。研究團隊進一步驗證了該工具的安全性，他們發現TALED 既沒有細胞毒性，也不會導致線粒體DNA 不穩定。此外，沒有對細胞核DNA 造成不良脫靶編輯，mtDNA 中的脫靶編輯也很少。
最後，研究團隊表示，接下來的目標是提高TALED 的編輯效率和特異性，為最終在胚胎、胎兒、嬰兒或成年患者中編輯引起疾病的線粒體基因突變鋪平道路。此外，研究團隊還在開發適用於植物葉綠體DNA 中A to G 轉換的TALED，用來改善植物的光合作用效率。
撰文| 王聰
編輯| 王多魚
排版| 水成文
論文鏈接：
1.https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00389-0
2.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2477-4
3.https://www.nature.com/articles/s41587-022-01256-8