基因科技：一种新的基因编辑工具，能编辑线粒体DNA


尽管编辑细胞核（蓝色）中的 DNA 可以用 CRISPR/Cas-9 实现，编辑线粒体（红色）中的 DNA 要困难得多。如今，一种新的基因编辑工具使得编辑线粒体 DNA 成为可能。图片来源：Tslil Ast/Mootha Lab
过去十年内，基因编辑得到了爆发式的普及。有了CRISPR/Cas9及其相关技术，科学家们可以比以前更轻松实现DNA靶向性的改变。这些最先进的工具在细胞核内运作良好，这里也是储存着大部分遗传信息的地方，但是CRISPR仍然无法触及细胞的某些部位。
现在，一种不使用CRISPR的新型工具让基因编辑得以作用于细胞中第二大基因组——线粒体基因组。它被称为DdCBE（DddA-derived cytosine base editor），由一种来自细菌的脱氨酶改造而来，能够将线粒体DNA中的C•G核苷酸对修改为T•A。
华盛顿大学霍华德·休斯医学研究所（HHMI）的研究员约瑟夫·穆格斯（Joseph Mougous）说，这是第一套可用于线粒体DNA的精准基因编辑器。
该研究由穆格斯和HHMI的另外两位研究者主导合作完成，分别是哈佛大学和博德研究所（Broad Institute）的刘如谦（David Liu），以及马萨诸塞州总医院（Massachusetts General Hospital）和博德研究所的瓦姆西·穆塔（Vamsi Mootha）。团队由穆格斯和刘如谦共同领导，其发现于发表在《自然》杂志上。
线粒体DNA的突变会导致多种罕见疾病，而人们对其了解非常有限。直到现在，实验室中研究这些疾病的科学家只能通过破坏线粒体DNA来消除突变。但他们无法在纠正单个突变的同时保持其他线粒体基因完整，刘如谦说。
虽然这一新工具远未能达到供人类使用的标准，但它能让科学家更轻松地在动物体内研究疾病，以及基础的线粒体生物学，穆塔说。“这是我研究领域内革命性的技术。”他继续说，“它使得创建线粒体 DNA 疾病小鼠模型成为可能，这直到如今都极其困难。”
不同寻常的蛋白质
穆格斯最初的目标并不是发明基因编辑器。他的实验室研究细菌之间的战争，具体来说，就是细菌用来攻击其他细菌的毒素。
两年前，论文共同第一作者、穆格斯实验室的博士后马尔克斯·德·莫莱斯（Marcos de Moraes）一直试图理解洋葱伯克氏菌（ Burkholderia cepacia）产生的一种毒素的运作机制。但结果推翻了他所有的预期假设。这种毒素是一种脱氨酶（deaminase），会从DNA和RNA“字母”中移除含氮片段，从而导致遗传突变。


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大部分脱氨酶靶向单链DNA或者RNA（天然为单链结构）。但这种脱氨酶很奇怪，它对两者都不起作用。数月来，德·莫莱斯的蛋白质实验都失败了。然后，有一天晚上，他单独留在实验室，就决定尝试一下他以为不会有效的东西：双链DNA。
通常情况下，DNA都以双螺旋结构出现，但是穆格斯表示，他们就是从来没想过测试蛋白质对这种结构形态的作用，“脱氨酶看起来只作用于单链 DNA，就是这样。”
但是，这种不同寻常的脱氨酶让他们大吃一惊。此前学界发现的脱氨酶都只能作用于单链DNA，但研究团队发现，这种脱氨酶可以将双链DNA中的胞嘧啶（cytosine，C）变成尿嘧啶（uracil，U），从而杀死其他细菌。在接下来数周的时间内，德·莫莱斯和同事们确认了自己最初的发现。他说：“这可能是我科研生涯中最兴奋的时刻。”
穆格斯察觉实验室可能找到了对基因编辑非常有用的东西，他联系了刘如谦。
新型编辑器
刘如谦的实验室一直在积极拓展基因编辑的边界。他的团队先前已经研发出几种在细胞核内编辑DNA的精准工具，包括能够改变单个字母的“碱基编辑器”。但要实现线粒体基因编辑，任务更为艰难。
著名的CRSPIR/Cas9系统依靠一小段引导RNA将Cas9酶引领至基因组中的特异位点，让它在那里剪断DNA双链。刘如谦团队的碱基编辑器使用的也是同样的方法。但是，CRISPR无法编辑线粒体DNA，因为还没有人想出如何将引导RNA转运到线粒体内，刘如谦解释道。
但是，蛋白质可以直接进入线粒体膜。研究者们意识到，直接作用于双链DNA的脱氨酶可能是一个解决方法，这不需要引导性RNA。刘如谦在早上上班的路上接到了穆格斯的第一个电话，他被谈话内容深深吸引，一直到实验室都没挂断。
穆格斯的新分子让人激动不已，但它是自然产生的细菌毒素，不是现成的基因编辑器。正如德·莫莱丝最初的实验测试所示，如果放任不管，脱氨酶会尽其所能，肆意破坏DNA。刘如谦描述，为了“驯服这头野兽”，他必须设法避免脱氨酶在抵达正确位点之前改变DNA。
解决方案就是将蛋白质分裂成无害的两半。刘如谦的团队在论文共同第一作者、研究生贝弗利·默克（Beverly Mok）的带领下，依靠穆格斯实验室提供的三维成像数据，将蛋白质一分为二。每一半本身毫无作用，但合起来之后，它们就恢复了蛋白质的全部功能。于是，团队将每一半脱氨酶融入定制的DNA靶向蛋白质中，这些蛋白质不需要引导性RNA，就能自行与特定的DNA片段结合，让两半脱氨酶合二为一。由此一来，脱氨酶只有在正确的位置才能重获功能，成为精准的基因编辑器。


图片来源：pixabay
刘如谦团队使用这一技术精准改变了特定的线粒体基因。然后，专攻线粒体生物学方向的穆塔实验室也展开试验，检测编辑是否达到了预期效果。他们针对人体细胞线粒体中的5个基因进行了测试，发现在最多50%的线粒体DNA中，DdCBE都进行了精确的单碱基编辑。
“可以想象，如果你将编辑机制引入线粒体，可能会偶然造成某种灾难性后果。”穆塔说道，“但它却处理得非常干净。”除了研究者们有意编辑的那一部分之外，整个线粒体都能正常运转。
这种线粒体碱基编辑器仅仅是个开始，穆格斯说。他希望能够发现更多的脱氨酶，这样他和刘如谦就能以此为基础，研发出其他能够改变线粒体 DNA 的编辑器。
刘如谦说：“这项研究最有趣的部分是我们三个实验室有机地合作到了一起。不是因为有人告诉我们要聚在一起做些什么，而是因为科学的指引。”
翻译：阿金
审校：戚译引
引进来源：HHMI、博德研究院等
引进链接：https://eurekalert.org/emb_releases/2020-07/hhmi-htp070220.php
本文来自：环球科学


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