編輯線粒體DNA面臨兩大難點

細胞“能量工廠”病了難根治? 細菌毒素助“基因剪刀”精準發力

線粒體DNA能編碼13種蛋白質，這些蛋白質都參與到細胞的能量供應鏈中。而線粒體DNA突變可導致數十種至今無法治愈的代謝性疾病。開發可以精確糾正線粒體DNA的基因編輯工具，將為治療這類疾病打開大門。

Leber遺傳性視神經病、線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發作綜合征、神經性肌肉衰弱癥，以及一些先天性心臟病……這些都是因線粒體基因突變引起的常見遺傳疾病。目前，全球無數患者正在受著煎熬，卻沒法獲得有效治療。

人類遺傳物質除了大部分在細胞核內，還有一小部分存在于線粒體中。現在科學家們已經將基因編輯技術用于精準編輯細胞核內DNA，但如何對線粒體內DNA進行精準編輯，一直無法取得突破。

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

從編輯基因序列到改變單個堿基

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)也沒法解決的歷史遺留難題——對線粒體DNA的精準編輯。

線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所，是細胞能量生成和傳遞的主要細胞器，被稱為“能量工廠”。除了為細胞提供能量外，線粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程，并擁有調控細胞生長和細胞周期的能力。

基因編輯是一種新興的對特定目標基因進行修飾的基因工程技術，已經廣泛應用于從動物和植物的基因改造到人類的基因治療等生命科學諸多領域。

“早期的基因工程技術只能將遺傳物質隨機插入宿主基因組，基因編輯則能定點改造想要編輯的基因。”蘇州博騰生物首席技術官孔令潔博士向科技日報記者介紹，基因編輯依賴于經過基因工程改造的核酸酶，類似于外科醫生的手術刀。“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。這些核酸酶能定點改造特定的DNA，對基因進行敲除、插入或替換。”

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

相比于一段一段地更改基因序列的常規基因編輯，這種堿基編輯技術可以在基因組上造成單個堿基改變，把腺嘌呤(A)變成鳥嘌呤(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。

編輯線粒體DNA面臨兩大難點

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

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。線粒體基因編輯技術可能成為根治這類疾病的有效方法。

盡管近幾年基因編輯有了突飛猛進的發展，但是這些進步都是在細胞核DNA上進行的，線粒體DNA編輯一直面臨難以解決的問題。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，所以讓CRISPR技術發揮作用的關鍵成分向導RNA(gRNA)根本無法進入線粒體。

“線粒體DNA之所以難以編輯，主要原因有兩方面：一是線粒體是細胞中具有雙層膜結構的細胞器，線粒體DNA位于線粒體內部，受到線粒體雙層膜的保護，外源的基因編輯工具很難高效進入線粒體內部;另一方面，線粒體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，就會被降解，而大多數基因編輯工具是利用DNA損傷修復的原理進行編輯，因此在線粒體DNA上很難進行。”中國科學院昆明動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拷貝，基因編輯相對容易，而線粒體基因在一個細胞中有許多拷貝，傳統的基因編輯技術依賴于核酸酶，不能編輯線粒體基因。

有助構建線粒體疾病動物模型

DddA是一種細菌毒素，最初由華盛頓大學的微生物學家約瑟夫·穆格團隊中的一位博士后馬爾科斯·德莫雷斯發現。2018年，德莫雷斯發現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，因而不需要gRNA。

DddA本身是種蛋白質，能夠進入線粒體，又可以直接對雙鏈DNA編輯。穆格當時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發的CRISPR單堿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。

DddA對哺乳動物細胞來說是有生物毒性的。為了避免這種毒性，研究人員想出的辦法是把DddA一拆兩半，變成兩個沒有活性的部分，進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DddA相連，這樣DddA們就能夠在編輯位點重逢了。

如何讓組合好的DddA進入線粒體，倒是不難解決。此前的一系列研究成果表明，可以利用線粒體的蛋白質吸收機制，穿過線粒體的雙層膜。DddA作為一種胞苷脫氨酶，它能夠實現胞嘧啶、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嘌呤互補。從實驗數據來看，加入抑制劑后，編輯效率提高了8倍。

動物疾病模型往往是藥物研發必需的工具。在該線粒體基因編輯技術之前，由于不能對線粒體基因進行精準的改造，因而無法獲得相應的動物疾病模型，大大阻礙了線粒體相關疾病的藥物的研發。

“這一技術的應用，將使動物疾病模型建立成為可能，加快藥物的研發。”孔令潔告訴記者，同時，隨著基因治療的發展，以此項技術為基礎的基因治療藥物，可能成為根治線粒體疾病的有效方法。

“基因治療是有望治愈線粒體DNA突變導致的疾病的重要方法。”畢蕊說，隨著線粒體DNA編輯工具的發展，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，對局部組織進行基因編輯，既可以避免直接對胚胎基因編輯帶來的倫理問題和安全性問題，又可以直接針對病灶組織進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題需要研究，距離應用到臨床還有很長的路要走。但短期來看，科學家們可通過利用該技術生成動物模型，來研究線粒體突變的影響。

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