基因科技：一種新的基因編輯工具，能編輯線粒體DNA


盡管編輯細胞核（藍色）中的 DNA 可以用 CRISPR/Cas-9 實現，編輯線粒體（紅色）中的 DNA 要困難得多。如今，一種新的基因編輯工具使得編輯線粒體 DNA 成為可能。圖片來源：Tslil Ast/Mootha Lab
過去十年內，基因編輯得到了爆發式的普及。有了CRISPR/Cas9及其相關技術，科學家們可以比以前更輕鬆實現DNA靶向性的改變。這些最先進的工具在細胞核內運作良好，這裏也是儲存著大部分遺傳信息的地方，但是CRISPR仍然無法觸及細胞的某些部位。
現在，一種不使用CRISPR的新型工具讓基因編輯得以作用於細胞中第二大基因組——線粒體基因組。它被稱為DdCBE（DddA-derived cytosine base editor），由一種來自細菌的脫氨酶改造而來，能夠將線粒體DNA中的C•G核苷酸對修改為T•A。
華盛頓大學霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）的研究員約瑟夫·穆格斯（Joseph Mougous）說，這是第一套可用於線粒體DNA的精準基因編輯器。
該研究由穆格斯和HHMI的另外兩位研究者主導合作完成，分別是哈佛大學和博德研究所（Broad Institute）的劉如謙（David Liu），以及馬薩諸塞州總醫院（Massachusetts General Hospital）和博德研究所的瓦姆西·穆塔（Vamsi Mootha）。團隊由穆格斯和劉如謙共同領導，其發現於發表在《自然》雜誌上。
線粒體DNA的突變會導致多種罕見疾病，而人們對其了解非常有限。直到現在，實驗室中研究這些疾病的科學家隻能通過破壞線粒體DNA來消除突變。但他們無法在糾正單個突變的同時保持其他線粒體基因完整，劉如謙說。
雖然這一新工具遠未能達到供人類使用的標準，但它能讓科學家更輕鬆地在動物體內研究疾病，以及基礎的線粒體生物學，穆塔說。“這是我研究領域內革命性的技術。”他繼續說，“它使得創建線粒體 DNA 疾病小鼠模型成為可能，這直到如今都極其困難。”
不同尋常的蛋白質
穆格斯最初的目標並不是發明基因編輯器。他的實驗室研究細菌之間的戰爭，具體來說，就是細菌用來攻擊其他細菌的毒素。
兩年前，論文共同第一作者、穆格斯實驗室的博士後馬爾克斯·德·莫萊斯（Marcos de Moraes）一直試圖理解洋蔥伯克氏菌（ Burkholderia cepacia）產生的一種毒素的運作機製。但結果推翻了他所有的預期假設。這種毒素是一種脫氨酶（deaminase），會從DNA和RNA“字母”中移除含氮片段，從而導致遺傳突變。


圖片來源：pixabay
大部分脫氨酶靶向單鏈DNA或者RNA（天然為單鏈結構）。但這種脫氨酶很奇怪，它對兩者都不起作用。數月來，德·莫萊斯的蛋白質實驗都失敗了。然後，有一天晚上，他單獨留在實驗室，就決定嚐試一下他以為不會有效的東西：雙鏈DNA。
通常情況下，DNA都以雙螺旋結構出現，但是穆格斯表示，他們就是從來沒想過測試蛋白質對這種結構形態的作用，“脫氨酶看起來隻作用於單鏈 DNA，就是這樣。”
但是，這種不同尋常的脫氨酶讓他們大吃一驚。此前學界發現的脫氨酶都隻能作用於單鏈DNA，但研究團隊發現，這種脫氨酶可以將雙鏈DNA中的胞嘧啶（cytosine，C）變成尿嘧啶（uracil，U），從而殺死其他細菌。在接下來數周的時間內，德·莫萊斯和同事們確認了自己最初的發現。他說：“這可能是我科研生涯中最興奮的時刻。”
穆格斯察覺實驗室可能找到了對基因編輯非常有用的東西，他聯係了劉如謙。
新型編輯器
劉如謙的實驗室一直在積極拓展基因編輯的邊界。他的團隊先前已經研發出幾種在細胞核內編輯DNA的精準工具，包括能夠改變單個字母的“堿基編輯器”。但要實現線粒體基因編輯，任務更為艱難。
著名的CRSPIR/Cas9係統依靠一小段引導RNA將Cas9酶引領至基因組中的特異位點，讓它在那裏剪斷DNA雙鏈。劉如謙團隊的堿基編輯器使用的也是同樣的方法。但是，CRISPR無法編輯線粒體DNA，因為還沒有人想出如何將引導RNA轉運到線粒體內，劉如謙解釋道。
但是，蛋白質可以直接進入線粒體膜。研究者們意識到，直接作用於雙鏈DNA的脫氨酶可能是一個解決方法，這不需要引導性RNA。劉如謙在早上上班的路上接到了穆格斯的第一個電話，他被談話內容深深吸引，一直到實驗室都沒掛斷。
穆格斯的新分子讓人激動不已，但它是自然產生的細菌毒素，不是現成的基因編輯器。正如德·莫萊絲最初的實驗測試所示，如果放任不管，脫氨酶會盡其所能，肆意破壞DNA。劉如謙描述，為了“馴服這頭野獸”，他必須設法避免脫氨酶在抵達正確位點之前改變DNA。
解決方案就是將蛋白質分裂成無害的兩半。劉如謙的團隊在論文共同第一作者、研究生貝弗利·默克（Beverly Mok）的帶領下，依靠穆格斯實驗室提供的三維成像數據，將蛋白質一分為二。每一半本身毫無作用，但合起來之後，它們就恢複了蛋白質的全部功能。於是，團隊將每一半脫氨酶融入定製的DNA靶向蛋白質中，這些蛋白質不需要引導性RNA，就能自行與特定的DNA片段結合，讓兩半脫氨酶合二為一。由此一來，脫氨酶隻有在正確的位置才能重獲功能，成為精準的基因編輯器。


圖片來源：pixabay
劉如謙團隊使用這一技術精準改變了特定的線粒體基因。然後，專攻線粒體生物學方向的穆塔實驗室也展開試驗，檢測編輯是否達到了預期效果。他們針對人體細胞線粒體中的5個基因進行了測試，發現在最多50%的線粒體DNA中，DdCBE都進行了精確的單堿基編輯。
“可以想象，如果你將編輯機製引入線粒體，可能會偶然造成某種災難性後果。”穆塔說道，“但它卻處理得非常幹淨。”除了研究者們有意編輯的那一部分之外，整個線粒體都能正常運轉。
這種線粒體堿基編輯器僅僅是個開始，穆格斯說。他希望能夠發現更多的脫氨酶，這樣他和劉如謙就能以此為基礎，研發出其他能夠改變線粒體 DNA 的編輯器。
劉如謙說：“這項研究最有趣的部分是我們三個實驗室有機地合作到了一起。不是因為有人告訴我們要聚在一起做些什麽，而是因為科學的指引。”
翻譯：阿金
審校：戚譯引
引進來源：HHMI、博德研究院等
引進鏈接：https://eurekalert.org/emb_releases/2020-07/hhmi-htp070220.php
本文來自：環球科學


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