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今日《细胞》:重磅基因编辑工具诞生!吹散“最后一片乌云”


4月26日,一篇在线发表于《细胞》杂志的论文介绍了一项重要突破:来自韩国的研究团队首次在线粒体DNA中实现A碱基到G碱基的转换,为基因编辑技术填补上一块至关重要的拼图,也带来了治愈多种线粒体遗传病的希望。

来源: 学术经纬

 

4月26日,一篇在线发表于《细胞》杂志的论文介绍了一项重要突破:来自韩国的研究团队首次在线粒体DNA中实现A碱基到G碱基的转换,为基因编辑技术填补上一块至关重要的拼图,也带来了治愈多种线粒体遗传病的希望。

从上世纪60年代首次发现限制性内切酶,到1985年发明PCR技术,再到最近十年CRISPR技术诞生、用于活体生物的基因编辑,短短半个世纪,人类在一次又一次的突破中实现了操纵DNA能力的巨大飞跃。其中,CRISPR的出现更是让科学家能高效编辑基因组中的致病突变,为众多遗传病提供全新的治疗方案。

不过,还有一朵乌云长期笼罩在基因编辑领域的上空,这就是线粒体DNA的编辑。

作为参与能量代谢的重要细胞器,线粒体中也含有少量来自母系的DNA。如果这部分基因发生突变,则可能导致多种与代谢相关的遗传疾病。

例如,Leber遗传性视神经病变(LHON)可能导致患者失明,这种凶险的疾病就是由线粒体DNA的点突变导致的。线粒体DNA突变还可能导致某些线粒体脑肌病,患者的大脑遭受损伤,可能出现癫痫、精神行为异常等症状。平均每5000个人里,就有一个人患上线粒体点突变导致的遗传病。

尽管基因编辑工具最近十年迎来爆发式发展,但面对线粒体遗传病时,这些工具却总是难以奏效。例如,当下最为盛行的CRISPR-Cas系统就因为向导RNA不能穿越线粒体膜,因而无法用于治疗线粒体疾病。

线粒体DNA的编辑,可以说是基因编辑领域最后一块未经涉足的土地,而这个难题也成为治愈多种遗传疾病必须跨越的障碍。

2020年,一项革命性的突破到来。Broad研究所的刘如谦教授团队开发了一款名为DdCBE的基因编辑工具,可以直接修改双链DNA上的碱基,实现从C碱基到T碱基的转换,这也是科学家首次在人体细胞中进行线粒体DNA的编辑。

不过,作为线粒体DNA编辑的开拓性成果,DaCBE也有不足之处:其只能高效地进行TC-TT序列的转换,在90个已知的致病线粒体突变位点中,只有9个能得到修复。

而在这90个突变位点中,有多达39个都可以通过A-G碱基的转换来修复。如果能找到实现A-G转换的手段,那么包括上述两种疾病在内,多种线粒体遗传病都有望迎来治愈的方法。

在这项发表于《细胞》的最新研究中,来自韩国基础科学研究所基因编辑中心的研究团队终于完成了这项“不可能的任务”,他们开发出一款全新的基因编辑平台,命名为转录激活因子样效应物相关脱氢酶(transcription activator-like effector-linked deaminases,简称TALED)。

 

 

▲TALED编辑线粒体DNA的示意图(图片来源:参考资料[1])

TALED到底是什么?接下来我们将看到,TALED由3个功能各异的主要部分组成,它们环环相扣、共同协作,最终完成这项基因编辑任务。

第一个部分,可以看作TALED的向导。前面说到,常见的基因编辑系统无法进入线粒体。为了解决这个问题,TALED与刘如谦团队开发的DaCBE一样,使用了转录激活因子样效应物(TALE)。作为一种DNA结合蛋白,TALE蛋白能够靶向特异的DNA序列,其在线粒体靶向序列(MTS)的引导下进入线粒体,并且与特定的线粒体DNA序列结合。

到这里,TALED就被带到了工作场所。在这里,轮到TALED的第二个部分登场。研究团队需要找到合适的脱氢酶,在这里实现A-G碱基的转换。为此,他们选择是名为TadA8e的腺嘌呤脱氢酶,其由大肠杆菌的腺嘌呤脱氢酶改造而来。

这个选择颇具创意,因为TadA8e被认为是一种专门对单链DNA起作用的蛋白,但在这里,它需要在线粒体的双链DNA中进行碱基编辑。

这篇论文的通讯作者,基因编辑中心主任KIM Jin-Soo教授说:“没有人想过用TadA8e在线粒体中进行碱基编辑,因为它被认为只对单链DNA起作用。正是这个跳出传统框架的想法,帮助我们发明了TALED。”

而帮助TadA8e做到这一点的,是TALED的最后一个主要部分:胞嘧啶脱氢酶DddAtox。DddAtox使得双链DNA可以短暂地解开,而TadA8e正是抓住了这个转瞬即逝的时间窗口,在人类细胞的线粒体中高效催化A-G碱基的转换,编辑频率可高达49%。

 

 

▲TALED实现了A-G碱基的转换(图片来源:参考资料[1])

通过对TALED的调整,研究团队分别开发出能同时实现A-G以及C-T碱基转换的技术,以及仅进行A-G转换的技术。

当然,作为一项开创性的技术,TALED仍有不完美之处,例如在进行碱基编辑时,可能会造成与目标位点相邻的核苷酸也发生转换;此外,TALED是否会在哺乳动物细胞中产生脱靶效应也有待观察。

但毫无疑问,TALED技术的出现让我们又多了一种极具潜力的基因编辑工具,吹散基因编辑最后的乌云。展望这项技术的未来应用场景,研究团队希望能提升TALED的编辑效率与特异性,最终能够分别在胚胎、新生儿与成年患者体内修正致病的线粒体突变。我们期待,那些受困于线粒体遗传病的人们终将迎来治愈的一刻。

参考资料:

[1] Sung-Ik Cho, Seonghyun Lee, Young Geun Mok, Kayeong Lim, Jaesuk Lee, Ji Min Lee, Eugene Chung, Jin-Soo Kim. (2022). Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases. Cell. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.039

[2] A new era of mitochondrial genome editing has begun. Retrieved Apr 25th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/950486