韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)基因組工程中心研究人員開發(fā)了一種新的基因編輯平臺，稱為類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)相關(guān)脫氨酶(TALED)。TALED是能夠在線粒體中進行A到G堿基轉(zhuǎn)換的堿基編輯器。這一發(fā)現(xiàn)是長達數(shù)十年治愈人類遺傳疾病之旅的結(jié)晶，而TALED，也被認為是基因編輯技術(shù)中最后缺失的一塊拼圖。研究成果發(fā)表在最新一期《細胞》雜志上。

“基因剪刀”的魔力與缺憾

從1968年第一個限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)、1985年聚合酶鏈式反應(yīng)的發(fā)明到2013年CRISPR介導(dǎo)的基因組編輯的示范，生物技術(shù)的每一個新突破發(fā)現(xiàn)都進一步提高了操縱DNA的能力。特別是，新近開發(fā)的CRISPR—Cas系統(tǒng)(“基因剪刀”)允許對活細胞進行全面的基因組編輯。這為通過編輯人類基因組中的突變來治療以前無法治愈的遺傳疾病開辟了新的可能性。

雖然基因編輯在細胞的核基因組中取得了很大的成功，然而，科學(xué)家們在編輯擁有自己基因組的線粒體方面并不成功。線粒體，即所謂的“細胞的動力室”，是細胞中的微小細胞器，充當(dāng)能量產(chǎn)生工廠。由于它是能量代謝的重要細胞器，如果基因發(fā)生突變，則會導(dǎo)致與能量代謝相關(guān)的嚴重遺傳疾病。

韓國IBS基因組工程中心主任金鎮(zhèn)秀解釋說：“由于線粒體DNA缺陷，出現(xiàn)了一些非常嚴重的遺傳性疾病。例如，導(dǎo)致雙眼突然失明的Leber遺傳性視神經(jīng)病變是由線粒體DNA中的簡單單點突變引起的。”另一種線粒體基因相關(guān)疾病包括伴有乳酸性酸中毒和卒中樣發(fā)作的線粒體腦肌病，它會緩慢破壞患者的大腦。一些研究甚至表明，線粒體DNA異常也可能是阿爾茨海默病和肌肉萎縮癥等退行性疾病的原因。

線粒體DNA可以編輯了

線粒體基因組遺傳自母系。線粒體DNA中有90個已知的致病點突變，總共影響至少5000人中的1人。由于向線粒體遞送方法的限制，許多現(xiàn)有基因組編輯工具無法使用。例如，CRISPR—Cas平臺不適用于編輯線粒體中的這些突變，因為引導(dǎo)RNA無法進入細胞器本身。

“另一個問題是缺乏這些線粒體疾病的動物模型。這是因為目前不可能設(shè)計出創(chuàng)建動物模型所需的線粒體突變。”金鎮(zhèn)秀補充道，“缺乏動物模型使得開發(fā)和測試這些疾病的治療方法變得非常困難。”

因此，編輯線粒體DNA的可靠技術(shù)是基因組工程的前沿領(lǐng)域之一，為了征服所有已知的遺傳疾病，必須探索這一前沿領(lǐng)域，世界上最優(yōu)秀的科學(xué)家多年來一直在努力使其成為現(xiàn)實。

2020年，由美國哈佛大學(xué)博德研究所和麻省理工學(xué)院劉如謙領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊創(chuàng)建了一種新的堿基編輯器，名為DddA衍生的胞嘧啶堿基編輯器，可從線粒體中的DNA進行C到T轉(zhuǎn)換。這是通過創(chuàng)造一種稱為堿基編輯的新基因編輯技術(shù)來實現(xiàn)的，該技術(shù)將單個核苷酸堿基轉(zhuǎn)化為另一個堿基而不會破壞DNA。但是，這種技術(shù)也有其局限性。它不僅僅限于C到T轉(zhuǎn)換，而且主要限于TC基序，使其成為有效的TC-TT轉(zhuǎn)換器。這意味著它只能糾正90個已確認的致病性線粒體點突變中的9個，也就是10%。長期以來，線粒體DNA的A到G轉(zhuǎn)換被認為是不可能的。

研究第一作者趙興義說：“我們開始思考克服這些限制的方法。因此，我們創(chuàng)建了一個名為TALED的新型基因編輯平臺，可實現(xiàn)A到G的轉(zhuǎn)換。我們的新堿基編輯器極大地擴展了線粒體基因組編輯的范圍。這不僅可為建立疾病模型作出巨大貢獻，還可為開發(fā)治療方法作出巨大貢獻。值得注意的是，其在人類mtDNA中能夠進行A到G的轉(zhuǎn)化可糾正90種已知致病性突變中的39種，約為43%。”

研究人員通過融合三種不同的成分創(chuàng)造了TALED。第一個組分是轉(zhuǎn)錄激活子樣效應(yīng)子，它能夠靶向DNA序列。第二個組分是TadA8e，一種用于促進A到G轉(zhuǎn)化的腺嘌呤脫氨酶。第三個組分DddAtox，是一種使DNA更容易被TadA8e獲取的胞嘧啶脫氨酶。

TALED的一個有趣的方面是TadA8e在具有雙鏈DNA的線粒體中執(zhí)行A到G編輯的能力。這是一種神秘的現(xiàn)象，因為TadA8e是一種已知僅對單鏈DNA具有特異性的蛋白質(zhì)。金鎮(zhèn)秀說：“以前沒有人想過使用TadA8e在線粒體中進行堿基編輯，因為它應(yīng)該只對單鏈DNA具有特異性。正是這種跳出框框的思維方法真正幫助我們發(fā)明了TALED。”

諾貝爾獎級別的成果

研究人員推測，DddA tox允許通過瞬時解開雙鏈來訪問雙鏈DNA。這個轉(zhuǎn)瞬即逝的臨時時間窗口允許TadA8e作為一種超快作用的酶，快速進行必要的編輯。除了調(diào)整TALED的組件外，研究人員還開發(fā)了一種能夠同時進行A到G和C到T堿基編輯以及僅進行A到G堿基編輯的技術(shù)。

研究團隊通過創(chuàng)建包含所需mtDNA編輯的單個細胞衍生克隆來展示這項新技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)TALED既不具有細胞毒性，也不會導(dǎo)致mtDNA不穩(wěn)定。此外，核DNA中沒有不良的脫靶編輯，mtDNA中的脫靶效應(yīng)也很少。研究人員現(xiàn)在的目標(biāo)是通過提高編輯效率和特異性來進一步改善TALED，最終為糾正胚胎、胎兒、新生兒或成年患者中的致病mtDNA突變鋪平道路。研究團隊還專注于開發(fā)適用于葉綠體DNA中A到G堿基編輯的TALED，葉綠體DNA編碼植物光合作用中的必需基因。

基礎(chǔ)科學(xué)研究所科學(xué)傳播者蘇威廉稱贊道：“我相信這一發(fā)現(xiàn)的意義可與2014年獲得諾貝爾獎的藍色LED的發(fā)明相媲美。就像藍色LED是讓我們擁有高能效白光LED光源的最后一塊拼圖一樣，預(yù)計TALED將迎來基因組工程的新時代。”