線粒體疾病研究將開啟一個新的時代。

當?shù)貢r間7月8日，頂級學術期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了一項研究，題為“A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing”。來自美國麻省理工學院-哈佛大學博德研究所化學生物學家劉如謙（David R. Liu）和華盛頓大學醫(yī)學院微生物學家Joseph Mougous領導的研究團隊合作開發(fā)了不依賴CRISPR系統(tǒng)的新型堿基編輯器（DdCBE），首次實現(xiàn)對線粒體基因組（mtDNA）的精準編輯。

線粒體被稱為細胞的“能量工廠”，線粒體基因突變疾病通常由母系遺傳，損害了細胞產(chǎn)生能量的能力。與核基因組相比，線粒體基因組中的基因數(shù)量較少，但這些突變尤其會損害神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉，也包括心臟，對遺傳這些基因突變的人來說可能是致命的。

然而，由于無法有效引導RNA進入被膜包裹的線粒體內(nèi)等原因，“基因魔剪” CRISPR-Cas9對修飾線粒體DNA至今束手無策。

一種特殊的細菌毒素為這一研究領域帶來了轉(zhuǎn)機。2018年，Mougous團隊發(fā)現(xiàn)了一種叫做DddA的酶，它是由伯克霍爾德菌（Burkholderia cenocepacia）產(chǎn)生的一種毒素，可以在DNA雙鏈上催化胞嘧啶（C）轉(zhuǎn)化為尿嘧啶（U）。值得一提的是，它可以直接作用于雙鏈DNA，而不需要Cas9酶來解旋。

實際上，細菌毒素代表了一個巨大的生物化學多樣性蓄水池，可以重新用于生物醫(yī)學應用，其中的一些成員已在基因編輯技術中得到應用。例如劉如謙之前開發(fā)的單堿基編輯器即利用胞苷脫氨酶，但這種酶只作用于單鏈DNA，劉如謙必須依靠Cas9酶來破壞DNA，正因如此該技術也無法適用于線粒體基因組。

2018年底，劉如謙團隊收到來自Mougous的郵件，隨后兩個團隊達成合作。他們判斷，DddA適用于線粒體基因組。但是，要把DddA變成一種可行的基因組編輯工具，劉如謙等人還比如將其打磨。

修改雙鏈DNA的能力同時使得這種酶致命，它會讓每一個遇到的C位點發(fā)生突變。為防止這種情況發(fā)生，研究團隊將酶分解成兩部分，只有當它們在編輯位點結合在一起時，才能恢復活性改變DNA。此外，該基因編輯工具遞送到線粒體基質(zhì)必須要穿過線粒體的雙層膜，研究團隊使用線粒體靶向信號（MTS）的氨基酸序列標記了基因編輯工具，利用線粒體的蛋白質(zhì)吸收機制穿過線粒體的雙層膜。

同時需要注意的是，DddA作為一種胞苷脫氨酶，它能將胞嘧啶（C）脫氨變?yōu)槟蜞奏ぃ║），但U是RNA堿基，在DNA中易被尿嘧啶-DNA糖基化酶切掉，又恢復成C。研究團隊最終利用尿嘧啶糖基化酶抑制劑（UGI）排除了這一干擾。這一步將編輯效率提高了近8倍。

總的來說，研究設計了無毒且無活性的split-DddA半分子，DddA分裂半體與轉(zhuǎn)錄激活子樣效應子陣列蛋白（TALE）和尿嘧啶糖基化酶抑制劑融合，產(chǎn)生了無RNA的DddA衍生的胞嘧啶堿基編輯器（DdCBE），可催化人mtDNA中的C?G到T?A轉(zhuǎn)化，具有高靶標特異性和產(chǎn)品純度。

該研究使用DdCBEs建模人類細胞中與疾病相關的mtDNA突變，結果顯示，不依賴CRISPR的DdCBE可以精確操縱mtDNA，催化人mtDNA中C?G到T?A的轉(zhuǎn)化的編輯效率在4.6%-49%之間。

邁阿密大學的線粒體遺傳學家Carlos Moraes評價道，“這是一個非常令人興奮的進展，有了修改線粒體DNA的能力，我們就可以提出以前無法提出的問題。”哥倫比亞大學線粒體疾病研究專家Michio Hirano甚至稱贊這一策略 “問鼎了線粒體研究領域的圣杯”。

不過，劉如謙謹慎提醒說，這項研究距離臨床應用還有很長的路要走。他說，盡管他的團隊最初的研究顯示很少有脫靶現(xiàn)象，但還需要對不同的細胞類型進行更多的研究，這畢竟是基因編輯技術的常見問題。

劉如謙團隊預計，這一最新的線粒體編輯工具可以修復49%已知的線粒體有害基因突變，將為線粒體遺傳病的研究、治療和預防帶來了前所未有的希望。

盡管醫(yī)學應用還很遙遠，但英國劍橋大學線粒體遺傳學家Michal Minczuk表示，通過使用這項技術生成動物模型，研究線粒體突變的影響，研究人員將在短期內(nèi)受益。“我們可以極大地加快這一進程，這是一個驚人的進步。”