Cell：揭秘人类数万年遗传病秘密！新型基因编辑工具诞生，吹散最后一片乌云

导语

4月25日，来自韩国的研究团队在Cell发表重磅成果，他们开发出一种可编程工具，首次成功实现线粒体DNA碱基A-G转换，填补了基因编辑技术缺失的最后一块拼图。

近日，韩国大田的基础科学研究所（ Institute for Basic Science，IBS）基因组工程中心的研究团队开发了一种可编程工具，并在Cell发表了“Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases”（图1）的论文。研发人员将这个新的基因编辑平台，称为转录激活因子样效应子相关脱氨酶（TALED）。TALED是能够在线粒体中进行A到G碱基转换的碱基编辑器。这一发现是长达数十年治愈人类遗传疾病之旅的结晶，为治愈多种线粒体遗传病带来了新的生机！TALED被认为是基因编辑技术缺失的最后一块拼图。

图1 研究成果（图源：Cell）

“基因剪刀”的魔力与缺憾

从1968年第一次发现限制性内切酶、1985年发明聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）到2013年突破CRISPR介导的基因组编辑技术，生物技术的每一次新突破都进一步提高了人类研究DNA、设计生命蓝图的能力（图2）。特别是最近开发的“基因魔剪技术”——CRISPR-Cas，允许对活细胞进行全面的基因组编辑。这为科学家们通过编辑基因组中的突变基因，用以治疗以前根本无法治愈的遗传疾病开辟了新的可能性。

图2 生物技术重大发现的历史时间表（图源：韩国基础科学研究所）

然而，虽然基因编辑技术在细胞核基因组取得了巨大成功，但科学家们在编辑具有线粒体基因组方面一直没有突破性成果。线粒体，即所谓的“细胞发电站”，是细胞中的微小细胞器，可作为能量产生工厂。由于它是能量代谢的重要细胞器，如果基因发生突变，就会导致身体出现与能量代谢相关的严重遗传疾病。基因组工程中心主任KIM Jin-Soo解释说：“线粒体DNA的缺陷会导致人体出现一些非常严重的遗传性疾病。例如，导致双眼突然失明的Leber遗传性视神经病变（LHON）就是由线粒体DNA中的单点突变引起的。”

另一种与线粒体基因相关的疾病是线粒体脑肌病（MELAS），这种疾病伴有乳酸酸中毒和中风样发作的症状，这种疾病会缓慢地破坏患者的大脑。有研究甚至表明，线粒体DNA异常也可能是阿尔茨海默病和肌肉萎缩症等退行性疾病的诱因。

人类线粒体基因组属母系遗传，线粒体DNA中有90种已知的致病点突变，5000人中至少有1人会受影响。受线粒体传递方式的限制，许多现有的基因组编辑工具都无法使用。例如，CRISPR-Cas平台并不适用于编辑线粒体中的突变，因为引导RNA本身无法进入细胞器。

“另一个问题是缺乏这些线粒体疾病的动物模型。这是因为目前不可能设计出创建动物模型所需的线粒体突变，”Kim补充说。“缺乏相关动物模型使得开发和测试这些疾病的治疗方法变得非常困难。”因此，开发可靠的线粒体DNA编辑技术就成为基因组工程的前沿技术任务之一，多年来世界上最优秀的一批科学家都在致力于这一技术的开发，探索并试图征服所有已知的遗传疾病。

TALED线粒体编辑新技术堪比诺奖级别的成果

2020年，由哈佛大学布罗德研究所和麻省理工学院的David R. LIU领导的研究团队创建了一种新的碱基编辑器——名为DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器 （DdCBEs），可以在线粒体中的DNA进行C-to-T转换。这是通过创建碱基编辑的新基因编辑DdCBEs技术实现的，该技术在不破坏DNA的情况下将单个核苷酸碱基转换为另一个碱基。然而，这种技术也有其局限性：它限于C-to-T转换，还限于TC基序，它的功能仅能做TC-TT碱基转换器。这意味着它只能纠正90个确认的致病性线粒体中的9个点突变。一直以来，人们甚至认为线粒体DNA难以实现从A到G的转换。

论文的第一作者CHO Sung-Ik说：“我们开始想办法突破这些限制，并创建了一个名为TALED的新型基因编辑平台，可以实现线粒体中A到G的转换。TALED很大程度扩大了线粒体基因组编辑的范围，不仅可以为建立疾病模型做出重大贡献，还可以为遗传病治疗贡献不容小觑的力量。”这次研究的突破点在于，仅能在人类mtDNA 中进行A到G转换就可以纠正90种已知致病突变中的39种（占比43%）。

研究过程历经多次的试错，研究人员通过融合三个不同的组件创建了TALED。第一个组件是是转录激活因子样效应子（TALE），它能够呈现靶向DNA序列。第二个组件是TadA8e，一种促进A到G转换的腺嘌呤脱氨酶。第三个组件DddA tox是一种胞嘧啶脱氨酶，它使DNA更容易被TadA8e识别（图3）。

图3 TALEDs如何在线粒体中工作的（图源：韩国基础科学研究所）

TALED另一个神秘的功能是TadA8e能够在具有双链DNA（dsDNA）的线粒体中进行A到G编辑，令人疑惑的地方在于TadA8e是一种已知仅对单链DNA具有特异性的蛋白质。Kim教授对此也感到很意外：“以前没有人想过使用TadA8e在线粒体中进行碱基编辑，因为它应该只针对单链DNA。正是这种跳出教条框架的思维方式真正帮助我们发明了TALED。”研究人员对这个现象进行推测，DddA tox允许通过瞬时展开双链来访问dsDNA。这个转瞬即逝的时间窗口允许TadA8e这种超速效酶，快速进行关键的编辑动作。除了调整TALED的组件外，研究人员还开发了一种能够同时进行A-to-G和C-to-T碱基编辑以及仅A-to-G碱基编辑的衍生技术。

研究人员还通过这项线粒体DNA编辑新技术来实现单细胞衍生克隆。结果表明，TALED编辑技术既没有细胞毒性，也不会导致线粒体DNA不稳定。此外，在核DNA中没有不良的脱靶编辑，线粒体DNA中的脱靶效应也很少。

研究人员表示，下一步的目标是通过提高编辑效率和特异性来进一步改进TALED这项技术，最终为纠正胚胎、胎儿、新生儿或成年患者中引起疾病的线粒体DNA突变铺平道路。研究团队还专注于开发适用于叶绿体DNA中A到G碱基编辑的TALED，叶绿体DNA编码植物光合作用中的必需基因。

基础科学研究所科学传播者苏威廉对TALED这项技术称赞道：“我相信这一发现的意义可与2014年获得诺贝尔奖的蓝色LED的发明相媲美。就像蓝色LED是让我们拥有高能效白光LED光源的最后一块拼图一样，预计TALED将迎来基因组工程的新时代。”

原始出处：

Anjali A. Sarkar. Human Mitochondrial Genome Editing Toolkit Expands. Cell, 2022.