细胞:大进步！新的线粒体碱基编辑器已经开发成功！线粒体基因组编辑的新时代即将到来

来源：100医疗网原创2022-04-27 16:57

IBS科学传播者William I. Suh称赞道，“我认为这一发现的意义堪比2014年获得诺贝尔奖的蓝色LED的发明。正如蓝色发光二极管(LED)是给我们提供节能白色LED光源的最后一块拼图。

在一项新的研究中，来自韩国基础科学研究所(IBS)基因组工程中心的研究人员开发了一种新的基因编辑平台，称为转录激活因子样效应子连锁脱氢酶(TALED)。TALED是一个碱基编辑器，可以在线粒体中进行A-G碱基转换。这一发现是数十年来治疗人类遗传疾病的高潮，TALED可以视为基因编辑技术中最后一块缺失的拼图。相关研究成果于2022年4月25日在线发表在《细胞杂志》上。这篇论文的题目是人类线粒体DNA中的A-to-G碱基编辑与可编程灾难。

从1968年第一个限制酶的鉴定，到1985年聚合酶链式反应(PCR)的发明，再到2013年CRISPR介导的基因组编辑的演示，生物技术的每一次新突破都进一步提高了我们操纵DNA这一生命蓝图的能力。特别是最近开发的名为CRISPR-Cas系统的基因剪刀，使我们能够对活细胞进行全面的基因组编辑。这提供了一种新的可能性，通过编辑我们基因组中的突变来治疗以前无法治愈的遗传疾病。

虽然基因编辑在核基因组上基本成功，但科学家用自己的基因组编辑线粒体并不成功。线粒体，即所谓的细胞能量工厂，是细胞中微小的细胞器。因为它是能量代谢的重要细胞器，如果基因发生突变，会引起严重的与能量代谢相关的遗传疾病。

论文作者、IBS基因组工程中心主任Kim Jin-Soo解释说，一些极其恼人的遗传疾病是由线粒体DNA的缺陷引起的。例如，导致双眼突然失明的莱伯遗传性视神经病变(LHON)是由线粒体DNA的简单单点突变引起的。另一种与线粒体基因有关的疾病是线粒体脑肌病，伴有乳酸酸中毒和中风样发作(MELAS)，它会慢慢损害患者的大脑。一些研究甚至表明，线粒体DNA的异常也可能是退行性疾病的原因，如阿尔茨海默病和肌肉萎缩症。

线粒体遗传自母系。线粒体DNA有90个已知的致病点突变，每5000个人中至少有一个会有这样的突变。由于线粒体传递方式的限制，许多现有的基因组编辑工具无法使用。例如，CRISPR-Cas平台不适合编辑线粒体中的这种突变，因为指导RNA(gRNA)本身无法进入这个细胞器。

Kim补充说，另一个问题是这些线粒体疾病的动物模型很少。这是因为目前无法设计构建动物模型所需的线粒体突变。缺乏动物模型使得开发和测试这些疾病的治疗方法非常困难。

因此，编辑线粒体DNA(mtDNA)的可靠技术是基因组工程的最后前沿之一。为了征服所有已知的遗传疾病，必须对其进行探索，世界上许多科学家多年来一直试图使其成为现实。

2020年，Broad Institute的David R. Liu领导的研究团队构建了一种新的碱基编辑器，称为DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器(DDCBE)，可以在线粒体DNA中进行C-T转换。这是通过构建一种称为碱基编辑的新基因编辑技术来实现的，这种技术可以在不破坏DNA的情况下，将一个核苷酸碱基转换为另一个碱基。然而，这项技术有其局限性。它不仅仅限于C-T转换，而且大多仅限于TC基序，这使它实际上是一个TC TT转换器。这意味着它只能纠正90个确认的致病性线粒体点突变中的9个(10%)。长期以来，线粒体DNA的A-G转换被认为是不可能的。

论文第一作者赵成益(Cho Sung-Ik)表示，我们开始思考如何克服这些局限性。因此，我们可以构建一个新的基因编辑平台，称为TALED，它可以实现A-G转换。我们新的基础编辑器极大地扩展了线粒体基因组编辑的范围。这不仅可以为制作疾病模型做出巨大贡献，还可以为开发治疗方法做出巨大贡献。值得注意的是，在人类mtDNA中，90个已知致病突变中的39个(=43%)可以仅通过A-G转换来纠正。

这些作者通过融合三种不同的成分来构建TALED。第一个组成部分是转录激活因子样效应子(TALE)，它可以靶向DNA序列。第二种成分是TadA8e，它是一种腺嘌呤脱氨酶，促进A-G转化。第三个成分是DddAtox，它是一种胞嘧啶脱氨酶，使DNA更容易被TadA8e接近。

图片来自cell，2022，doi :10.1016/j . cell . 2022 . 03 . 039。

TALED的一个有趣的方面是，TadA8e能够在双链DNA(dsDNA)的线粒体中进行G编辑。这是一个神秘的现象，因为TadA8e是一种已知只对单链DNA(ssDNA)特异的蛋白质。Kim说，以前没有人想到用TadA8e在线粒体中进行碱基编辑，因为它应该只对单链DNA有特异性。正是这种打破常规的思维方式真正帮助我们发明了TALED。

这些作者推测DddAtox允许dsDNA被瞬时双链所接近。这个稍纵即逝但短暂的时间窗口允许超快速行动的TadA8e快速进行必要的编辑。除了调整TALED的组件，他们还开发了一种技术，可以同时编辑A G和C T碱基，只编辑A G碱基。

这些作者通过构建包含所需mtDNA编辑的单细胞衍生克隆来展示这种新技术。此外，他们发现TALED既没有细胞毒性，也没有mtDNA的不稳定性。此外，在核DNA中没有不好的脱靶编辑，在mtDNA中几乎没有脱靶效应。他们的目标是通过提高编辑效率和特异性来进一步改善TALED，最终为纠正胚胎、胎儿、新生儿或成年患者的致病性mtDNA突变铺平道路。他们还致力于开发编辑叶绿体DNA碱基的TALED。叶绿体DNA编码植物光合作用中的重要基因。

IBS科学传播者William I. Suh称赞道，我认为这一发现的意义堪比2014年获得诺贝尔奖的蓝色LED的发明。正如蓝光发光二极管(LED)是让我们拥有节能白光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。(100yiyao.com)

参考资料：

1.宋一科等人。细胞，2022，doi :10.1016/j . cell . 2022 . 03 . 039

2.线粒体基因组编辑的新时代已经开始

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