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重磅基因编辑工具诞生,填补最后一个角落

时间: 2020年07月14日 | 作者: Admin | 来源: 学术经纬
来自华盛顿大学的Joseph教授与Broad研究所的刘如谦教授展开合作,开发出“第一款实现线粒体DNA精确编辑的分子工具”。



  本周,《自然》在线发表了关于基因编辑的一篇重要论文。来自华盛顿大学的Joseph Mougous教授与Broad研究所的刘如谦(David Liu)教授展开合作,开发出“第一款实现线粒体DNA精确编辑的分子工具”。


  这项研究成果一经发表迅速引起业内的点赞。《自然》《科学》等顶尖学术期刊都特地刊发新闻介绍。研究线粒体疾病的专家评论说,这项研究用“非常巧妙的策略解决了线粒体领域的‘圣杯’问题”。



  线粒体:基因编辑最后一个角落


  利用CRISPR/Cas-9系统以及相关技术,科学家们现在已经可以方便且精确地改变DNA。但迄今为止,广泛使用的各种基因编辑工具,是在细胞核内发挥作用——大部分遗传信息的储存场所。是的,只是“大部分”。细胞中还有一部分遗传信息储存在线粒体内。


大多数人类细胞中存在成千上万的线粒体(红色),每个线粒体都有自己的基因(图片来源:Credit Tslil Ast/Mootha Lab)

大多数人类细胞中存在成千上万的线粒体(红色),每个线粒体都有自己的基因(图片来源:Credit Tslil Ast/Mootha Lab)


  线粒体内的DNA编码13种蛋白质,虽然不多,但每一种都参与细胞的能量供应。线粒体DNA突变可能导致数十种代谢疾病,包括心肌病、Leber遗传性视神经病变等,而且这些疾病至今没有治愈方法。如果有基因编辑工具可以精确纠正线粒体DNA,无疑将为治疗这类疾病打开大门。


  然而,对于CRISPR系统来说,线粒体难以触达。困难之一是,CRISPR系统需要依靠一小段向导RNA定位到基因组特定位置,但没有人知道怎么让向导RNA穿越线粒体膜进入线粒体内。


  “驯服野兽”


  在这项研究中,这一障碍终于被打破!而其中的关键是一种特别的细菌毒素。


  微生物学家Mougous教授与同事们在研究细菌之间如何用毒素相互攻击时,有了一个意外发现。他们找到一种细菌脱氨酶,可以直接修改双链DNA上的碱基,把其中的胞嘧啶(C)转变成尿嘧啶(U),从而杀死其他细菌。过去微生物学家们发现过一些细菌脱氨酶,而它们都是对单链DNA或单链RNA起作用。因此,作用于双链DNA的脱氨酶毒素显得十分异常。


  科学家们敏锐地意识到,“这种细菌毒素的特性可以让它与非CRISPR的DNA定位系统配对,”刘如谦教授说道,“使我们最终在生物学的最后一个角落——线粒体DNA中进行精确的基因组编辑。”


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一种特殊的脱氨酶可以直接修改DNA双链上的碱基(图片来源:Pixabay)


  不过,这种细菌毒素对于人体细胞是有毒的,如果不加以控制,它将肆意破坏DNA。为了“驯服野兽”,科学家们设想了巧妙的办法:他们根据脱氨酶的蛋白质结构,将它一分为二,变成没有活性的两个片段,只有当它们到达特定位置后彼此相遇,才恢复脱氨酶功能。


  为此,研究人员将脱氨酶的两个片段分别与TALE蛋白结合。后者是一种DNA结合蛋白,在线粒体靶向序列的作用下,它可以进入线粒体,并结合在特定的线粒体DNA序列上,让脱氨酶在此工作,最终把碱基C-G转变为T-A。


线粒体碱基编辑器DdCBE的工作原理

线粒体碱基编辑器DdCBE的工作原理


  未来的发展


  接下来,在人类细胞中,研究人员证实了DdCBE系统的编辑能力。他们测试了线粒体基因组中的5个基因,处理3~6天后,碱基编辑效率最高达到49%。


  “这是一个质的飞跃,如果我们能制造靶向突变,就能开发模型研究与疾病相关的突变,确认突变在疾病中的实际影响,并针对相同通路筛选出药物。”主要作者之一、负责分析线粒体功能的Vamsi Mootha教授说。


  而这个线粒体碱基编辑器还只是开始,Mougous教授说。科学家们希望继续找到更多的脱氨酶,开发出新的编辑器,对线粒体DNA的其他碱基进行修改。


  正如《自然》评论的,实验性地改变线粒体基因组,可以帮助我们“更好地了解线粒体DNA突变在复杂疾病、癌症和衰老相关的细胞功能障碍中的作用”,同时这一研究“为发展线粒体疾病基因疗法做出了关键进展“,让我们看到了一个能够有效治疗线粒体疾病的未来。我们期待这一天的早日到来。