線(xiàn)粒體DNA能編碼13種蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)都參與到細胞的能量供應鏈中。而線(xiàn)粒體DNA突變可導致數十種至今無(wú)法治愈的代謝性疾病。開(kāi)發(fā)可以精確糾正線(xiàn)粒體DNA的基因編輯工具，將為治療這類(lèi)疾病打開(kāi)大門(mén)。

　　Leber遺傳性視神經(jīng)病、線(xiàn)粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作綜合征、神經(jīng)性肌肉衰弱癥，以及一些先天性心臟病……這些都是因線(xiàn)粒體基因突變引起的常見(jiàn)遺傳疾病。目前，全球無(wú)數患者正在受著(zhù)煎熬，卻沒(méi)法獲得有效治療。

　　人類(lèi)遺傳物質(zhì)除了大部分在細胞核內，還有一小部分存在于線(xiàn)粒體中。現在科學(xué)家們已經(jīng)將基因編輯技術(shù)用于精準編輯細胞核內DNA，但如何對線(xiàn)粒體內DNA進(jìn)行精準編輯，一直無(wú)法取得突破。

　　不久前，《自然》雜志發(fā)表了美國哈佛大學(xué)劉如謙（David Liu）團隊發(fā)表的一項最新成果，不但可實(shí)現對線(xiàn)粒體基因組的精準編輯，而且幾乎沒(méi)有脫靶效應，這為研究和治療線(xiàn)粒體遺傳病帶來(lái)了前所未有的希望。

　　從編輯基因序列到改變單個(gè)堿基

　　此次劉如謙團隊的重大突破，在于解答了成簇規律間隔短回文重復核酸酶（CRISPR）也沒(méi)法解決的歷史遺留難題——對線(xiàn)粒體DNA的精準編輯。

　　線(xiàn)粒體是細胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場(chǎng)所，是細胞能量生成和傳遞的主要細胞器，被稱(chēng)為“能量工廠(chǎng)”。除了為細胞提供能量外，線(xiàn)粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過(guò)程，并擁有調控細胞生長(cháng)和細胞周期的能力。

　　基因編輯是一種新興的對特定目標基因進(jìn)行修飾的基因工程技術(shù)，已經(jīng)廣泛應用于從動(dòng)物和植物的基因改造到人類(lèi)的基因治療等生命科學(xué)諸多領(lǐng)域。

　　“早期的基因工程技術(shù)只能將遺傳物質(zhì)隨機插入宿主基因組，基因編輯則能定點(diǎn)改造想要編輯的基因。”蘇州博騰生物首席技術(shù)官孔令潔博士向科技日報記者介紹，基因編輯依賴(lài)于經(jīng)過(guò)基因工程改造的核酸酶，類(lèi)似于外科醫生的手術(shù)刀。“目前常用的基因編輯酶主要有鋅指核酸酶、轉錄激活樣效應因子核酸酶和成簇規律間隔短回文重復核酸酶。這些核酸酶能定點(diǎn)改造特定的DNA，對基因進(jìn)行敲除、插入或替換。”

　　除了核酸酶外，劉如謙實(shí)驗室發(fā)明的堿基編輯酶，可利用一種細菌毒素DddA，將胞嘧啶轉化為尿嘧啶，實(shí)現對線(xiàn)粒體基因組的精準編輯，以更改基因組里的單個(gè)堿基。

　　相比于一段一段地更改基因序列的常規基因編輯，這種堿基編輯技術(shù)可以在基因組上造成單個(gè)堿基改變，把腺嘌呤（A）變成鳥(niǎo)嘌呤（G），把胞嘧啶（C）變成胸腺嘧啶（T）。“理論上堿基編輯可以改變基因組中的任何堿基，因此大大擴寬了基因編輯的范圍和靈活性。”孔令潔解釋說(shuō)。

　　編輯線(xiàn)粒體DNA面臨兩大難點(diǎn)

　　“線(xiàn)粒體擁有自身的遺傳物質(zhì)和遺傳體系，和細胞核DNA相比，線(xiàn)粒體只編碼少數的基因，但這些基因對細胞功能至關(guān)重要。”孔令潔說(shuō)，線(xiàn)粒體DNA在發(fā)生突變后，容易喪失制造三磷酸腺苷的能力，往往會(huì )對神經(jīng)系統和肌肉系統造成損傷，引發(fā)母系遺傳的特定疾病。線(xiàn)粒體肌病、多系統疾病、心肌病、進(jìn)行性眼外肌麻痹等疾病就是這樣發(fā)生的。

　　目前治療一般是給予三磷酸腺苷、輔酶Q10和大量B族維生素等，但效果很不理想，且不能根治。線(xiàn)粒體基因編輯技術(shù)可能成為根治這類(lèi)疾病的有效方法。

　　盡管近幾年基因編輯有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是這些進(jìn)步都是在細胞核DNA上進(jìn)行的，線(xiàn)粒體DNA編輯一直面臨難以解決的問(wèn)題。對線(xiàn)粒體DNA的精準編輯是從來(lái)沒(méi)人實(shí)現過(guò)的，現在應用最廣泛的CRISPR技術(shù)面對線(xiàn)粒體DNA也是束手無(wú)策——線(xiàn)粒體沒(méi)有吸收RNA的機制，所以讓CRISPR技術(shù)發(fā)揮作用的關(guān)鍵成分向導RNA（gRNA）根本無(wú)法進(jìn)入線(xiàn)粒體。

　　“線(xiàn)粒體DNA之所以難以編輯，主要原因有兩方面：一是線(xiàn)粒體是細胞中具有雙層膜結構的細胞器，線(xiàn)粒體DNA位于線(xiàn)粒體內部，受到線(xiàn)粒體雙層膜的保護，外源的基因編輯工具很難高效進(jìn)入線(xiàn)粒體內部；另一方面，線(xiàn)粒體DNA不同于核基因組DNA，缺乏有效的DNA損傷修復機制，一旦其受到雙鏈斷裂損傷時(shí)，就會(huì )被降解，而大多數基因編輯工具是利用DNA損傷修復的原理進(jìn)行編輯，因此在線(xiàn)粒體DNA上很難進(jìn)行。”中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所副研究員畢蕊博士告訴記者。

　　孔令潔也認為，一般細胞核基因有兩個(gè)拷貝，基因編輯相對容易，而線(xiàn)粒體基因在一個(gè)細胞中有許多拷貝，傳統的基因編輯技術(shù)依賴(lài)于核酸酶，不能編輯線(xiàn)粒體基因。

　　有助構建線(xiàn)粒體疾病動(dòng)物模型

　　DddA是一種細菌毒素，最初由華盛頓大學(xué)的微生物學(xué)家約瑟夫·穆格團隊中的一位博士后馬爾科斯·德莫雷斯發(fā)現。2018年，德莫雷斯發(fā)現DddA具有催化胞嘧啶脫氨轉變?yōu)槟蜞奏さ幕钚浴６矣幸馑嫉氖牵c其他的脫氨酶不同，這種作用可以直接在DNA雙螺旋上發(fā)生，不需要解旋，因而不需要gRNA。

　　DddA本身是種蛋白質(zhì)，能夠進(jìn)入線(xiàn)粒體，又可以直接對雙鏈DNA編輯。穆格當時(shí)就想到了只聞其名未曾謀面的同事劉如謙——因為劉如謙團隊之前開(kāi)發(fā)的CRISPR單堿基編輯器中就有用到過(guò)脫氨酶，或許DddA也能夠在相關(guān)的領(lǐng)域得到應用。

　　DddA對哺乳動(dòng)物細胞來(lái)說(shuō)是有生物毒性的。為了避免這種毒性，研究人員想出的辦法是把DddA一拆兩半，變成兩個(gè)沒(méi)有活性的部分，進(jìn)行編輯后讓兩部分重組恢復脫氨活性；然后再將設計好的TALE蛋白與半個(gè)DddA相連，這樣DddA們就能夠在編輯位點(diǎn)重逢了。

　　如何讓組合好的DddA進(jìn)入線(xiàn)粒體，倒是不難解決。此前的一系列研究成果表明，可以利用線(xiàn)粒體的蛋白質(zhì)吸收機制，穿過(guò)線(xiàn)粒體的雙層膜。DddA作為一種胞苷脫氨酶，它能夠實(shí)現胞嘧啶、尿嘧啶轉換的一系列操作。

　　為了使DddA的作用不被干擾，研究團隊還要再加上尿嘧啶糖基化酶抑制劑，等到下一輪DNA復制，它就可以和腺嘌呤互補而不是和鳥(niǎo)嘌呤互補。從實(shí)驗數據來(lái)看，加入抑制劑后，編輯效率提高了8倍。

　　動(dòng)物疾病模型往往是藥物研發(fā)必需的工具。在該線(xiàn)粒體基因編輯技術(shù)之前，由于不能對線(xiàn)粒體基因進(jìn)行精準的改造，因而無(wú)法獲得相應的動(dòng)物疾病模型，大大阻礙了線(xiàn)粒體相關(guān)疾病的藥物的研發(fā)。

　　“這一技術(shù)的應用，將使動(dòng)物疾病模型建立成為可能，加快藥物的研發(fā)。”孔令潔告訴記者，同時(shí)，隨著(zhù)基因治療的發(fā)展，以此項技術(shù)為基礎的基因治療藥物，可能成為根治線(xiàn)粒體疾病的有效方法。

　　“基因治療是有望治愈線(xiàn)粒體DNA突變導致的疾病的重要方法。”畢蕊說(shuō)，隨著(zhù)線(xiàn)粒體DNA編輯工具的發(fā)展，可以在局部病變組織中將突變的DNA修復成正常的野生型DNA，對局部組織進(jìn)行基因編輯，既可以避免直接對胚胎基因編輯帶來(lái)的倫理問(wèn)題和安全性問(wèn)題，又可以直接針對病灶組織進(jìn)行快速高效的基因治療，惠及更多患者。

　　此前，劉如謙曾對《自然》雜志表示，這項研究因還有其他問(wèn)題需要研究，距離應用到臨床還有很長(cháng)的路要走。但短期來(lái)看，科學(xué)家們可通過(guò)利用該技術(shù)生成動(dòng)物模型，來(lái)研究線(xiàn)粒體突變的影響。