基因编辑获重大突破！首次实现线粒体DNA的精准编辑

来源：奇点网

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搓搓手，今天基因编辑技术又登上一个新台阶了！

这次迎来解答的是CRISPR也没搞定的历史遗留难题——对线粒体DNA的精准编辑。

今日，《自然》杂志刊登了一项新研究，科学家们利用一种细菌毒素DddA开发了针对线粒体DNA的单碱基编辑器DdCBE，可直接针对双链DNA将C-G碱基对编辑为T-A碱基对，而且编辑效率很高，也几乎没有脱靶效应。该研究通讯作者为刘如谦和Joseph D。 Mougous。

看完论文不禁感叹，这个编辑器真是精妙极了，人类的智慧牛逼（为刘老师打电话——

图源 | science.com

DddA是一种细菌毒素，最开始是通讯作者之一、微生物学家Mougous团队中一位博士后Marcos de Moraes发现的。2018年，de Moraes发现DddA具有催化胞嘧啶脱氨转变为尿嘧啶的活性，而且有意思的是，与其他的脱氨酶不同，这种作用可以直接在DNA双螺旋上发生，不需要解旋。

Mougous当时就想到了只闻其名未曾谋面的同事刘如谦。刘如谦团队之前开发的CRISPR单碱基编辑器中就有用到过脱氨酶，或许DddA也能够在相关的领域得到应用。

经过邮件沟通，两个团队一拍即合。

不过他们一致认为，就算用DddA再造新的CRISPR单碱基编辑器，也不会比现有的技术有太多的优势，所以研究者们一开始就瞄准了新的应用场景——线粒体DNA编辑。

对线粒体DNA的精准编辑是从来没人实现过的，现在应用最广泛的CRISPR技术面对线粒体DNA也是束手无策——线粒体没有吸收RNA的机制，所以CRISPR技术关键的gRNA根本就进不去线粒体。

那么其他的基因编辑技术呢？

2018年，《自然医学》杂志曾同期发表了两篇论文，分别利用锌指蛋白核酸酶技术（ZFNs）和转录激活样因子核酸酶技术（TALENs）实现了对线粒体DNA突变的消除。不过这两项技术能做的，是将携带突变的线粒体DNA直接降解，其实应用起来难度很大。毕竟线粒体DNA的拷贝数如果太低，也会带来疾病。

这样一看，DddA的潜力还真是挺大。它本身是个蛋白，能够进入线粒体，又可以直接对双链DNA编辑，简直非常值得研究一番。

DddA的三维构象

当然了，到这里还只是刚刚有了一个思路，其实从DddA到最终的DdCBE，要解决的问题还有三个。

第一，不管怎么说，胞苷脱氨酶对哺乳动物细胞来说是有生物毒性的。为了避免这种毒性，研究者们想出的办法是把DddA一拆两半，两个没有活性的部分在编辑位点重组恢复脱氨活性。不知道研究者们是不是从ZFN和TALEN中获得的灵感呢。

TALE能够识别特定的DNA序列，将设计好的TALE蛋白与半个DddA相连，这样DddA们就能够在编辑位点重逢了。

第二，怎么让组合好的DddA进入线粒体呢？这个问题倒是不难解决，在ZFN和TALEN中也有答案，加上线粒体靶向信号（MTS）蛋白序列，就能够利用线粒体的蛋白质吸收机制穿过线粒体的双层膜了。

第三，DddA作为一种胞苷脱氨酶，它能够做的是将胞嘧啶（C）脱氨变为尿嘧啶（U），而U是RNA碱基，出现在DNA中很容易被尿嘧啶-DNA糖基化酶切掉，又恢复成C。

为了保住DddA的作用不被干扰，还要再加上尿嘧啶糖基化酶抑制剂（UGI），把U保住，等到下一轮DNA复制，它就可以和腺嘌呤（A）互补而不是和鸟嘌呤（G）互补。从实验数据来看，加入UGI之后编辑效率提高了8倍。

至此为止，DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器（DdCBE）才彻底完成了。简单总结一下，这个DdCBE包含四个部分：进入线粒体的向导MTS、协助识别DNA靶点的TALE蛋白、编辑主力军DddA（半个）以及UGI。

DdCBE结构

研究者尝试编辑了几个不同的线粒体基因，编辑效率大约在4.6%到49%之间，影响因素包括两个半个DddA的方向、TALE蛋白设计、两个亚基之间的间隔、靶点和TALE的相对结合位置等。

至于基因编辑中最受关注的脱靶效应，实验数据给出的结论是对细胞核基因没有脱靶，线粒体DNA脱靶效应很少，主要与TALE有关。

在HEK293T细胞中进行的实验显示，DdCBE的编辑活性能够持续18天，其间对线粒体DNA的编辑没有降低细胞存活率、没有产生大的DNA片段缺失、也没有影响DNA拷贝数。

理论上来说，DdCBE有希望解决目前一半的线粒体DNA突变，就算不能够修正全部突变，只是减少有害突变拷贝的数量，对于线粒体疾病也是能够起到治疗效果的，可以说DdCBE是线粒体疾病基因疗法的一大进步，同时也是研究线粒体基因组的有力工具。

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