「新浪科技综合」基因编辑获重大突破！首次实现线粒体DNA的精准编辑新浪科技综合2020-07-10 16:47:030阅
来源：奇点网
搓搓手 ， 今天基因编辑技术又登上一个新台阶了！
这次迎来解答的是CRISPR也没搞定的历史遗留难题——对线粒体DNA的精准编辑 。
今日 ， 《自然》杂志刊登了一项新研究 ， 科学家们利用一种细菌毒素DddA开发了针对线粒体DNA的单碱基编辑器DdCBE ， 可直接针对双链DNA将C-G碱基对编辑为T-A碱基对 ， 而且编辑效率很高 ， 也几乎没有脱靶效应 。 该研究通讯作者为刘如谦和Joseph D 。Mougous 。
看完论文不禁感叹 ， 这个编辑器真是精妙极了 ， 人类的智慧牛逼（为刘老师打电话——
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图1/4图源 | science.comDddA是一种细菌毒素 ， 最开始是通讯作者之一、微生物学家Mougous团队中一位博士后Marcos de Moraes发现的 。 2018年 ， de Moraes发现DddA具有催化胞嘧啶脱氨转变为尿嘧啶的活性 ， 而且有意思的是 ， 与其他的脱氨酶不同 ， 这种作用可以直接在DNA双螺旋上发生 ， 不需要解旋 。
Mougous当时就想到了只闻其名未曾谋面的同事刘如谦 。 刘如谦团队之前开发的CRISPR单碱基编辑器中就有用到过脱氨酶 ， 或许DddA也能够在相关的领域得到应用 。
经过邮件沟通 ， 两个团队一拍即合 。
不过他们一致认为 ， 就算用DddA再造新的CRISPR单碱基编辑器 ， 也不会比现有的技术有太多的优势 ， 所以研究者们一开始就瞄准了新的应用场景——线粒体DNA编辑 。
对线粒体DNA的精准编辑是从来没人实现过的 ， 现在应用最广泛的CRISPR技术面对线粒体DNA也是束手无策——线粒体没有吸收RNA的机制 ， 所以CRISPR技术关键的gRNA根本就进不去线粒体 。
那么其他的基因编辑技术呢？
2018年 ， 《自然医学》杂志曾同期发表了两篇论文 ， 分别利用锌指蛋白核酸酶技术（ZFNs）和转录激活样因子核酸酶技术（TALENs）实现了对线粒体DNA突变的消除 。 不过这两项技术能做的 ， 是将携带突变的线粒体DNA直接降解 ， 其实应用起来难度很大 。 毕竟线粒体DNA的拷贝数如果太低 ， 也会带来疾病 。
这样一看 ， DddA的潜力还真是挺大 。 它本身是个蛋白 ， 能够进入线粒体 ， 又可以直接对双链DNA编辑 ， 简直非常值得研究一番 。
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图2/4DddA的三维构象当然了 ， 到这里还只是刚刚有了一个思路 ， 其实从DddA到最终的DdCBE ， 要解决的问题还有三个 。
第一 ， 不管怎么说 ， 胞苷脱氨酶对哺乳动物细胞来说是有生物毒性的 。 为了避免这种毒性 ， 研究者们想出的办法是把DddA一拆两半 ， 两个没有活性的部分在编辑位点重组恢复脱氨活性 。 不知道研究者们是不是从ZFN和TALEN中获得的灵感呢 。
TALE能够识别特定的DNA序列 ， 将设计好的TALE蛋白与半个DddA相连 ， 这样DddA们就能够在编辑位点重逢了 。
第二 ， 怎么让组合好的DddA进入线粒体呢？这个问题倒是不难解决 ， 在ZFN和TALEN中也有答案 ， 加上线粒体靶向信号（MTS）蛋白序列 ， 就能够利用线粒体的蛋白质吸收机制穿过线粒体的双层膜了 。
第三 ， DddA作为一种胞苷脱氨酶 ， 它能够做的是将胞嘧啶（C）脱氨变为尿嘧啶（U） ， 而U是RNA碱基 ， 出现在DNA中很容易被尿嘧啶-DNA糖基化酶切掉 ， 又恢复成C 。
为了保住DddA的作用不被干扰 ， 还要再加上尿嘧啶糖基化酶抑制剂（UGI） ， 把U保住 ， 等到下一轮DNA复制 ， 它就可以和腺嘌呤（A）互补而不是和鸟嘌呤（G）互补 。 从实验数据来看 ， 加入UGI之后编辑效率提高了8倍 。
【「新浪科技综合」基因编辑获重大突破！首次实现线粒体DNA的精准编辑新浪科技综合2020-07-10 16:47:030阅】至此为止 ， DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器（DdCBE）才彻底完成了 。 简单总结一下 ， 这个DdCBE包含四个部分：进入线粒体的向导MTS、协助识别DNA靶点的TALE蛋白、编辑主力军DddA（半个）以及UGI 。
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图3/4DdCBE结构研究者尝试编辑了几个不同的线粒体基因 ， 编辑效率大约在4.6%到49%之间 ， 影响因素包括两个半个DddA的方向、TALE蛋白设计、两个亚基之间的间隔、靶点和TALE的相对结合位置等 。
至于基因编辑中最受关注的脱靶效应 ， 实验数据给出的结论是对细胞核基因没有脱靶 ， 线粒体DNA脱靶效应很少 ， 主要与TALE有关 。
在HEK293T细胞中进行的实验显示 ， DdCBE的编辑活性能够持续18天 ， 其间对线粒体DNA的编辑没有降低细胞存活率、没有产生大的DNA片段缺失、也没有影响DNA拷贝数 。
理论上来说 ， DdCBE有希望解决目前一半的线粒体DNA突变 ， 就算不能够修正全部突变 ， 只是减少有害突变拷贝的数量 ， 对于线粒体疾病也是能够起到治疗效果的 ， 可以说DdCBE是线粒体疾病基因疗法的一大进步 ， 同时也是研究线粒体基因组的有力工具 。
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