基因編輯獲重大突破！首次實現線粒體DNA的精準編輯
來源：奇點網
搓搓手，今天基因編輯技術又登上一個新台階了！
這次迎來解答的是CRISPR也沒搞定的歷史遺留難題——對線粒體DNA的精準編輯。
今日，《自然》雜誌刊登了一項新研究，科學家們利用一種細菌毒素DddA開發了針對線粒體DNA的單鹼基編輯器DdCBE，可直接針對雙鏈DNA將C-G鹼基對編輯為T-A鹼基對，而且編輯效率很高，也幾乎沒有脫靶效應。該研究通訊作者為劉如謙和Joseph D。 Mougous。
看完論文不禁感嘆，這個編輯器真是精妙極了，人類的智慧牛逼（為劉老師打電話——
圖源 | science.com
DddA是一種細菌毒素，最開始是通訊作者之一、微生物學家Mougous團隊中一位博士後Marcos de Moraes發現的。2018年，de Moraes發現DddA具有催化胞嘧啶脫氨轉變為尿嘧啶的活性，而且有意思的是，與其他的脫氨酶不同，這種作用可以直接在DNA雙螺旋上發生，不需要解旋。
Mougous當時就想到了只聞其名未曾謀面的同事劉如謙。劉如謙團隊之前開發的CRISPR單鹼基編輯器中就有用到過脫氨酶，或許DddA也能夠在相關的領域得到應用。
經過郵件溝通，兩個團隊一拍即合。
不過他們一致認為，就算用DddA再造新的CRISPR單鹼基編輯器，也不會比現有的技術有太多的優勢，所以研究者們一開始就瞄準了新的應用場景——線粒體DNA編輯。
對線粒體DNA的精準編輯是從來沒人實現過的，現在應用最廣泛的CRISPR技術面對線粒體DNA也是束手無策——線粒體沒有吸收RNA的機制，所以CRISPR技術關鍵的gRNA根本就進不去線粒體。
那麼其他的基因編輯技術呢？
2018年，《自然醫學》雜誌曾同期發表了兩篇論文，分別利用鋅指蛋白核酸酶技術（ZFNs）和轉錄激活樣因子核酸酶技術（TALENs）實現了對線粒體DNA突變的消除。不過這兩項技術能做的，是將攜帶突變的線粒體DNA直接降解，其實應用起來難度很大。畢竟線粒體DNA的拷貝數如果太低，也會帶來疾病。
這樣一看，DddA的潛力還真是挺大。它本身是個蛋白，能夠進入線粒體，又可以直接對雙鏈DNA編輯，簡直非常值得研究一番。
DddA的三維構象
當然了，到這裡還只是剛剛有了一個思路，其實從DddA到最終的DdCBE，要解決的問題還有三個。
第一，不管怎麼說，胞苷脫氨酶對哺乳動物細胞來說是有生物毒性的。為了避免這種毒性，研究者們想出的辦法是把DddA一拆兩半，兩個沒有活性的部分在編輯位點重組恢復脫氨活性。不知道研究者們是不是從ZFN和TALEN中獲得的靈感呢。
TALE能夠識別特定的DNA序列，將設計好的TALE蛋白與半個DddA相連，這樣DddA們就能夠在編輯位點重逢了。
第二，怎麼讓組合好的DddA進入線粒體呢？這個問題倒是不難解決，在ZFN和TALEN中也有答案，加上線粒體靶向信號（MTS）蛋白序列，就能夠利用線粒體的蛋白質吸收機制穿過線粒體的雙層膜了。
第三，DddA作為一種胞苷脫氨酶，它能夠做的是將胞嘧啶（C）脫氨變為尿嘧啶（U），而U是RNA鹼基，出現在DNA中很容易被尿嘧啶-DNA糖基化酶切掉，又恢復成C。
為了保住DddA的作用不被干擾，還要再加上尿嘧啶糖基化酶抑製劑（UGI），把U保住，等到下一輪DNA複製，它就可以和腺嘌呤（A）互補而不是和鳥嘌呤（G）互補。從實驗數據來看，加入UGI之後編輯效率提高了8倍。
至此為止，DddA衍生的胞嘧啶鹼基編輯器（DdCBE）才徹底完成了。簡單總結一下，這個DdCBE包含四個部分：進入線粒體的嚮導MTS、協助識別DNA靶點的TALE蛋白、編輯主力軍DddA（半個）以及UGI。
DdCBE結構
研究者嘗試編輯了幾個不同的線粒體基因，編輯效率大約在4.6%到49%之間，影響因素包括兩個半個DddA的方向、TALE蛋白設計、兩個亞基之間的間隔、靶點和TALE的相對結合位置等。
至於基因編輯中最受關注的脫靶效應，實驗數據給出的結論是對細胞核基因沒有脫靶，線粒體DNA脫靶效應很少，主要與TALE有關。
在HEK293T細胞中進行的實驗顯示，DdCBE的編輯活性能夠持續18天，其間對線粒體DNA的編輯沒有降低細胞存活率、沒有產生大的DNA片段缺失、也沒有影響DNA拷貝數。
理論上來說，DdCBE有希望解決目前一半的線粒體DNA突變，就算不能夠修正全部突變，只是減少有害突變拷貝的數量，對於線粒體疾病也是能夠起到治療效果的，可以說DdCBE是線粒體疾病基因療法的一大進步，同時也是研究線粒體基因組的有力工具。
