Nature重磅:David Liu團隊首次實現線粒體DNA的精準基因編輯
6天前
不依賴CRISPR的線粒體堿基編輯器(DdCBE),能夠實現對線粒體基因組的精準編輯,為研究和治療線粒體相關疾病帶來新的工具。

線粒體DNA(mtDNA)突變可導致人類一系列無法治愈的代謝疾病。這類疾病最常在母體傳播,并損害細胞產生能量的能力。盡管與基因組相比,線粒體基因組中的基因數量很少,但這些突變會為遺傳這些基因的人帶來致命的影響。

但是研究這類疾病一直很困難,因為科學家們缺乏一種方法來制作線粒體基因組具有相同突變的動物模型。因此,開發出一種可以編輯mtDNA的工具是線粒體遺傳學科學家們長期奮斗的目標。


圖片來源:CNRI/SPL

那么,為什么不用“魔剪”CRISPR-Cas9?因為CRISPR-Cas9幾乎可以對任何生物體中的基因進行編輯。該工具使用的RNA鏈可以將Cas9酶引導科學家想要編輯的DNA區域。問題來了,這對于細胞核中的DNA效果很好,但是RNA無法穿入被膜包圍的線粒體。面對線粒體,“魔剪”似乎有點束手無策。

2018年底,美國Broad研究所David Liu(劉如謙)了解到,華盛頓大學微生物學家Joseph Mougous帶領團隊發現了一個“奇怪”的酶。它是由細菌伯克霍爾德氏菌(Burkholderia cenocepacia)產生的一種毒素(DddA),當它遇到DNA胞嘧啶(C)時,便將其轉化為尿嘧啶(U)。由于在DNA中不常見的U就類似于T,因此可以復制細胞DNA的酶。將其復制為T,從而有效地將基因組序列中的C轉換為T。

David Liu此前在堿基編輯中也利用了類似的酶,但是這些酶通常只作用于單鏈DNA。Liu必須依靠Cas9酶來破壞雙鏈DNA并創建一個未纏繞的單鏈DNA區域,使得這種酶起作用。由于它依賴于指導Cas9的RNA鏈,因此該技術無法到達線粒體基因組。

但是,Mougous研究小組發現的DddA可以直接作用于雙鏈DNA,而無需依靠Cas9酶來破壞它。Liu和Mougous一拍即合—— DddA可以和非CRISPR的DNA定位系統配對,實現線粒體基因組編輯。相關研究結果于7月8日發表在《Nature》雜志上。


https://doi.org/10.1038/s41586-020-2477-4

當然,為了讓DddA用于線粒體基因組編輯,Liu和Mougous也克服了重重挑戰。首先,DddA對哺乳動物細胞是有毒的。為此,研究人員將DddA的毒素區域一分為二(split-DddAtox halves),變成兩個沒有活性的片段。接著將這兩片段分別與TALE蛋白融合,并使其與特定的DNA序列結合,只有當它們到達特定位點后相遇才激活。最后,想要將這一基因編輯工具遞送到線粒體基質中,它們必須要穿過線粒體的雙層膜。因此,研究團隊使用線粒體靶向信號的氨基酸序列標記了構建的基因編輯工具。對于線粒體雙層膜來說,這一基于蛋白的導入機制比基于RNA的導入系統(如CRISPR-Cas9)更具優勢。


最終,這就構建了由DddA衍生的不依賴CRISPR的線粒體堿基編輯器(DdCBE),能夠實現對線粒體基因組的精準編輯,為研究和治療線粒體相關疾病帶來新的工具。

所有基因組編輯工具都需要考慮脫靶效應。研究小組比較了處理過的細胞和未處理過的細胞,發現核基因組中沒有偏離靶點的影響。mtDNA的脫靶活性較低。接下來,研究小組研究了DdCBE的治療潛力,結果發現其可以修復已知49%的有害mtDNA突變。

DdCBE可以減少攜帶mtDNA突變的比例,而不減少拷貝數。因此,當線粒體突變負荷很高時,它可能是首選甚至是唯一的選擇。

Liu強調,這項研究距離在臨床上使用還有很長的路要走。盡管初步研究發現脫靶DNA的改變很少,但仍需要對不同細胞類型進行更多的研究。

《Nature》雜志評價說,該研究成果是開發針對mtDNA疾病的基因療法的重要進展。此外,通過使用該工具實驗性地改變線粒體基因組,可以更好地了解mtDNA突變與復雜疾病、癌癥和年齡相關的細胞功能障礙的相關性。

參考資料

Scientists make precise gene edits to mitochondrial DNA for first time

Mitochondrial genome editing gets precise

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