细胞:填补基因编辑的最后空白 开启线粒体基因编辑新时代

来源：生物世界2022-04-27 16:16

下一个目标是提高TALED的编辑效率和特异性，为编辑导致胚胎、胎儿、婴儿或成年患者疾病的线粒体基因突变铺平道路。

从1968年发现第一个限制性内切酶，到1985年发明聚合酶链式反应(PCR)技术，再到2013年应用CRISPR基因编辑技术，生物技术的每一次突破性发现都进一步提高了我们操纵DNA甚至调控生命蓝图的能力。

尤其是CRISPR基因编辑技术的成功应用，使我们能够以前所未有的效率全面编辑活细胞和个体的基因，也使我们能够治疗以前无法做到的遗传疾病。

基因编辑技术在核基因组编辑方面取得了辉煌的成就，但在线粒体基因组编辑方面却落后了。线粒体是细胞的能量工厂。线粒体包含一组独立于细胞核的遗传物质线粒体DNA(mtDNA)。人类线粒体DNA长度为16569bp，具有编码13种蛋白质的37个基因，所有这些基因都参与细胞的能量代谢。

由于线粒体在能量稳态中的重要作用，线粒体DNA的点突变可导致发育障碍、神经肌肉疾病、癌症进展和许多其他严重疾病。目前已知的线粒体DNA致病点突变有90个，约5000人中有1人患病。

然而，由于靶向线粒体的递送方法的限制，现有的基因组编辑工具很难应用，如基于CRISPR的基因编辑工具，因为gRNA不能有效引入线粒体，导致其无法编辑线粒体DNA。

此外，由于缺乏线粒体基因编辑工具，研究线粒体DNA突变的动物模型非常缺乏，极大地限制了线粒体遗传病的研究和治疗。

因此，开发线粒体DNA的基因编辑工具一直是线粒体遗传学领域的长期目标。准确诱导线粒体DNA中的碱基突变有助于解释这些突变在发病机制中的作用，也可以作为相应的治疗手段。

2022年4月25日，韩国基础科学研究所Jin-Soo Kim的团队发表了一篇研究论文，题为：在细胞中可编程突发事件的人类线粒体DNA中靶向A-to-G碱基编辑。

本研究开发了一种与线粒体碱基编辑平台转录激活子样效应子相连的新型脱氨酶(TALED)，首次实现了线粒体中一个toG的碱基转换，弥补了基因编辑最后缺失的谜题。它大大扩展了目前编辑线粒体基因的范围，不仅可以用于建立线粒体疾病模型，还可以用于治疗线粒体遗传病。

线粒体DNA的可靠基因编辑是现代基因组计划的最后堡垒之一，世界上许多杰出的科学家多年来一直致力于解决这一问题。

2020年8月，刘如谦团队在《自然》杂志上发表了一篇论文。他开发了一个不依赖CRISPR的基础编辑器DdCBE，可以编辑线粒体DNA，为研究和治疗线粒体遗传疾病带来了前所未有的工具。

然而，这个工具也有其局限性。它只能对线粒体DNA进行C到T的转换。事实上，它只能高效地进行TCto TT转换，这意味着这个工具只能编辑90个已知线粒体DNA点突变中的9个，而对另外90%无能为力。

刘如谦团队在《自然生物技术》杂志上发表论文，对两年前开发的线粒体碱基编辑器DdCBE进行了重要升级，提高了编辑效率和序列编辑范围，可以更高效地编辑TC、AC和CC位点。

然而，线粒体DNA中toG的转化还没有实现。

在这篇细胞论文中，研究团队创建了一个新的线粒体基因编辑平台，命名为TALED，可以实现线粒体DNA的A-to-G转换。值得注意的是，只有人类线粒体DNA中的A到G转换才能纠正90个已知线粒体点突变中的39个(43%)。TALED极大地扩展了线粒体基因编辑的范围，不仅可以用于建立线粒体疾病模型，还可以用于治疗线粒体遗传病。

研究小组通过融合三种不同的成分创造了TALED。第一个成分是转录激活因子样效应子(TALE)，它可以靶向DNA序列；第二个成分是TadA8e，是一种腺嘌呤脱氨酶，促进A向G的转化；第三个成分是DddAtox，一种胞嘧啶脱氨酶，它使TadA8e更容易接近DNA。

TadA8e以前被认为是只对单链DNA特异的脱氨酶，所以没有人想用它来进行基因编辑。然而，这项研究表明，TadA8e可以在双链DNA的线粒体中进行A到G的转换。

该研究的通讯员Jin-Soo Kim说：正是这种打破常规的思维方式真正帮助我们发明了TALED。DddAtox可以瞬间打开双链DNA，这个稍纵即逝的时间窗口足以让超快酶TadA8e快速进行A到G转换，编辑效率高达49%。此外，研究小组还开发了一种编辑工具，可以同时进行A-to-G和C-to-T转换，并且只能进行A-to-G转换。

研究团队进一步验证了这一工具的安全性。他们发现TALED既没有细胞毒性，也没有线粒体DNA不稳定性。此外，对核DNA没有不良的脱靶编辑，在mtDNA也很少有脱靶编辑。

最后，研究小组表示，下一个目标是提高TALED的编辑效率和特异性，为编辑导致胚胎、胎儿、婴儿或成年患者疾病的线粒体基因突变铺平道路。此外，研究小组还在开发适用于植物叶绿体DNA中A到G转换的TALED，以提高植物的光合效率。