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基因编辑技术之谜的最后一部分已经完成

韩国基础科学研究所(IBS)基因组工程中心研究人员开发了一种新的基因编辑平台,称为类转录激活因子效应相关脱氨酶(TALED)。TALED能够在线粒体中进行A到G碱基转换的碱基编辑器。这一发现是长达数十年治愈人类遗传疾病之旅的结晶,而TALED,也被认为是基因编辑技术中最后缺失的一块拼图。研究成果发表在最新一期《细胞》杂志上。

生物技术重大发现的历史时间表。图片来源:韩国基础科学研究所苏威廉

“基因剪刀”的魔力与缺憾

从1968年第一个限制性内切酶的发现、1985年聚合酶链式反应 (PCR) 的发明到2013年CRISPR介导的基因组编辑的示范,生物技术的每一个新突破发现都进一步提高了操纵DNA的能力。特别是,新近开发的CRISPR—Cas系统(“基因剪刀”)允许对活细胞进行全面的基因组编辑。这为通过编辑人类基因组中的突变来治疗以前无法治愈的遗传疾病开辟了新的可能性。

虽然基因编辑在细胞的核基因组中取得了很大的成功,然而,科学家们在编辑也拥有自己基因组的线粒体方面并不成功。线粒体,即所谓的“细胞的动力室”,是细胞中的微小细胞器,充当能量产生工厂。由于它是能量代谢的重要细胞器,如果基因发生突变,则会导致与能量代谢相关的严重遗传疾病。

韩国IBS基因组工程中心主任金珍洙解释说:“由于线粒体DNA缺陷,出现了一些非常严重的遗传性疾病。例如,导致双眼突然失明的Leber遗传性视神经病变(LHON)是由线粒体DNA中的简单单点突变引起的。”另一种线粒体基因相关疾病包括伴有乳酸性酸中毒和卒中样发作的线粒体脑肌病(MELAS),它会缓慢破坏患者的大脑。一些研究甚至表明,线粒体DNA异常也可能是阿尔茨海默病和肌肉萎缩症等退行性疾病的原因。

线粒体DNA可以编辑了

线粒体基因组遗传自母系。线粒体DNA中有90个已知的致病点突变,总共影响至少5000人中的1人。由于向线粒体递送方法的限制,许多现有基因组编辑工具无法使用。例如,CRISPR—Cas平台不适用于编辑线粒体中的这些突变,因为引导RNA无法进入细胞器本身。

“另一个问题是缺乏这些线粒体疾病的动物模型。这是因为目前不可能设计出创建动物模型所需的线粒体突变。”金主任补充道,“缺乏动物模型使得开发和测试这些疾病的治疗方法变得非常困难。”

因此,编辑线粒体DNA的可靠技术是基因组工程的最后前沿领域之一,为了征服所有已知的遗传疾病,必须探索这一前沿领域,世界上最优秀的科学家多年来一直在努力使其成为现实。

2020年,由美国哈佛大学博德研究所和麻省理工学院刘如谦领导的研究团队创建了一种新的碱基编辑器,名为DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器(DdCBEs),可从线粒体中的DNA进行C到T转换。这是通过创造一种称为碱基编辑的新基因编辑技术来实现的,该技术将单个核苷酸碱基转化为另一个碱基而不会破坏DNA。但是,这种技术也有其局限性。它不仅仅限于C到T转换,而且主要限于TC基序,使其成为有效的TC-TT转换器。这意味着它只能纠正90个已确认的致病性线粒体点突变中的9个,也就是10%。长期以来,线粒体DNA的A到G转换被认为是不可能的。

研究第一作者赵兴义说:“我们开始思考克服这些限制的方法。因此,我们创建了一个名为TALED的新型基因编辑平台,可实现A到G的转换。我们的新碱基编辑器极大地扩展了线粒体基因组编辑的范围。这不仅可为建立疾病模型作出巨大贡献,还可为开发治疗方法作出巨大贡献。值得注意的是,仅在人类mtDNA中能够进行A到G的转化可纠正90种已知致病性突变中的39种,约为43%。

研究人员通过融合三种不同的成分创造了TALED。第一个组分是转录激活子样效应子(TALE),它能够靶向DNA序列。第二个组分是TadA8e,一种用于促进A到G转化的腺嘌呤脱氨酶。第三个组分DddA tox是一种使DNA更容易被TadA8e获取的胞嘧啶脱氨酶。

TALED的一个有趣的方面是TadA8e在具有双链DNA(dsDNA)的线粒体中执行A到G编辑的能力。这是一种神秘的现象,因为TadA8e是一种已知仅对单链DNA具有特异性的蛋白质。金主任说:“以前没有人想过使用TadA8e在线粒体中进行碱基编辑,因为它应该只对单链DNA具有特异性。正是这种跳出框框的思维方法真正帮助我们发明了TALED。”

诺贝尔级别的成果

研究人员推测,DddA tox允许通过瞬时解开双链来访问dsDNA。这个转瞬即逝的临时时间窗口允许TadA8e作为一种超快作用的酶,快速进行必要的编辑。除了调整TALED的组件外,研究人员还开发了一种能够同时进行A到G和C到T碱基编辑以及仅进行A到G碱基编辑的技术。

研究团队通过创建包含所需mtDNA编辑的单个细胞衍生克隆来展示这项新技术。他们发现TALED既不具有细胞毒性,也不会导致mtDNA不稳定。此外,核DNA中没有不良的脱靶编辑,mtDNA中的脱靶效应也很少。研究人员现在的目标是通过提高编辑效率和特异性来进一步改善TALED,最终为纠正胚胎、胎儿、新生儿或成年患者中的致病mtDNA突变铺平道路。研究团队还专注于开发适用于叶绿体DNA中A到G碱基编辑的TALED,叶绿体DNA编码植物光合作用中的必需基因。

基础科学研究所科学传播者苏威廉称赞道:“我相信这一发现的意义可与2014年获得诺贝尔奖的蓝色LED的发明相媲美。就像蓝色LED是让我们拥有高能效白光LED光源的最后一块拼图一样,预计TALED将迎来基因组工程的新时代。

显示TALEDs如何在线粒体中工作的图形摘要。图源:基础科学研究所

编辑:李晓航(实习)

审核:岳靓

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