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中国科学院 细菌毒素助“基因剪刀”精准发力，细胞“能量工厂”病了难根治？( 二 )


“线粒体DNA之所以难以编辑 ， 主要原因有两方面：一是线粒体是细胞中具有双层膜结构的细胞器 ， 线粒体DNA位于线粒体内部 ， 受到线粒体双层膜的保护 ， 外源的基因编辑工具很难高效进入线粒体内部；另一方面 ， 线粒体DNA不同于核基因组DNA ， 缺乏有效的DNA损伤修复机制 ， 一旦其受到双链断裂损伤时 ， 就会被降解 ， 而大多数基因编辑工具是利用DNA损伤修复的原理进行编辑 ， 因此在线粒体DNA上很难进行 。 ”中国科学院昆明动物研究所副研究员毕蕊博士告诉采访人员 。
孔令洁也认为 ， 一般细胞核基因有两个拷贝 ， 基因编辑相对容易 ， 而线粒体基因在一个细胞中有许多拷贝 ， 传统的基因编辑技术依赖于核酸酶 ， 不能编辑线粒体基因 。
有助构建线粒体疾病动物模型
DddA是一种细菌毒素 ， 最初由华盛顿大学的微生物学家约瑟夫·穆格团队中的一位博士后马尔科斯·德莫雷斯发现 。 2018年 ， 德莫雷斯发现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 ， 因而不需要gRNA 。
DddA本身是种蛋白质 ， 能够进入线粒体 ， 又可以直接对双链DNA编辑 。 穆格当时就想到了只闻其名未曾谋面的同事刘如谦——因为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 。
DddA对哺乳动物细胞来说是有生物毒性的 。 为了避免这种毒性 ， 研究人员想出的办法是把DddA一拆两半 ， 变成两个没有活性的部分 ， 进行编辑后让两部分重组恢复脱氨活性；然后再将设计好的TALE蛋白与半个DddA相连 ， 这样DddA们就能够在编辑位点重逢了 。
如何让组合好的DddA进入线粒体 ， 倒是不难解决 。 此前的一系列研究成果表明 ， 可以利用线粒体的蛋白质吸收机制 ， 穿过线粒体的双层膜 。 DddA作为一种胞苷脱氨酶 ， 它能够实现胞嘧啶、尿嘧啶转换的一系列操作 。
为了使DddA的作用不被干扰 ， 研究团队还要再加上尿嘧啶糖基化酶抑制剂 ， 等到下一轮DNA复制 ， 它就可以和腺嘌呤互补而不是和鸟嘌呤互补 。 从实验数据来看 ， 加入抑制剂后 ， 编辑效率提高了8倍 。
动物疾病模型往往是药物研发必需的工具 。 在该线粒体基因编辑技术之前 ， 由于不能对线粒体基因进行精准的改造 ， 因而无法获得相应的动物疾病模型 ， 大大阻碍了线粒体相关疾病的药物的研发 。
“这一技术的应用 ， 将使动物疾病模型建立成为可能 ， 加快药物的研发 。 ”孔令洁告诉采访人员 ， 同时 ， 随着基因治疗的发展 ， 以此项技术为基础的基因治疗药物 ， 可能成为根治线粒体疾病的有效方法 。
“基因治疗是有望治愈线粒体DNA突变导致的疾病的重要方法 。 ”毕蕊说 ， 随着线粒体DNA编辑工具的发展 ， 可以在局部病变组织中将突变的DNA修复成正常的野生型DNA ， 对局部组织进行基因编辑 ， 既可以避免直接对胚胎基因编辑带来的伦理问题和安全性问题 ， 又可以直接针对病灶组织进行快速高效的基因治疗 ， 惠及更多患者 。
此前 ， 刘如谦曾对《自然》杂志表示 ， 这项研究因还有其他问题需要研究 ， 距离应用到临床还有很长的路要走 。 但短期来看 ， 科学家们可通过利用该技术生成动物模型 ， 来研究线粒体突变的影响 。


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