韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)基因組工程中心研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的基因編輯平臺(tái)，稱(chēng)為類(lèi)轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)相關(guān)脫氨酶(TALED)。TALED能夠在線粒體中進(jìn)行A到G堿基轉(zhuǎn)換的堿基編輯器。這一發(fā)現(xiàn)是長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年治愈人類(lèi)遺傳疾病之旅的結(jié)晶，而TALED，也被認(rèn)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(xì)胞》雜志上。

“基因剪刀”的魔力與缺憾

從1968年第一個(gè)限制性?xún)?nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)、1985年聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?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(gè)新突破發(fā)現(xiàn)都進(jìn)一步提高了操縱DNA的能力。特別是，新近開(kāi)發(fā)的CRISPR—Cas系統(tǒng)(“基因剪刀”)允許對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行全面的基因組編輯。這為通過(guò)編輯人類(lèi)基因組中的突變來(lái)治療以前無(wú)法治愈的遺傳疾病開(kāi)辟了新的可能性。

雖然基因編輯在細(xì)胞的核基因組中取得了很大的成功，然而，科學(xué)家們?cè)诰庉嫇碛凶约夯蚪M的線粒體方面并不成功。線粒體，即所謂的“細(xì)胞的動(dòng)力室”，是細(xì)胞中的微小細(xì)胞器，充當(dāng)能量產(chǎn)生工廠。由于它是能量代謝的重要細(xì)胞器，如果基因發(fā)生突變，則會(huì)導(dǎo)致與能量代謝相關(guān)的嚴(yán)重遺傳疾病。

韓國(guó)IBS基因組工程中心主任金鎮(zhèn)秀解釋說(shuō)：“由于線粒體DNA缺陷，出現(xiàn)了一些非常嚴(yán)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(jiǎn)單單點(diǎn)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(huì)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(gè)已知的致病點(diǎn)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(wú)法使用。例如，CRISPR—Cas平臺(tái)不適用于編輯線粒體中的這些突變，因?yàn)橐龑?dǎo)RNA無(wú)法進(jìn)入細(xì)胞器本身。

“另一個(gè)問(wèn)題是缺乏這些線粒體疾病的動(dòng)物模型。這是因?yàn)槟壳安豢赡茉O(shè)計(jì)出創(chuàng)建動(dòng)物模型所需的線粒體突變。”金鎮(zhèn)秀補(bǔ)充道，“缺乏動(dòng)物模型使得開(kāi)發(fā)和測(cè)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(lái)一直在努力使其成為現(xiàn)實(shí)。

2020年，由美國(guó)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行C到T轉(zhuǎn)換。這是通過(guò)創(chuàng)造一種稱(chēng)為堿基編輯的新基因編輯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)將單個(gè)核苷酸堿基轉(zhuǎn)化為另一個(gè)堿基而不會(huì)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(gè)已確認(rèn)的致病性線粒體點(diǎn)突變中的9個(gè)，也就是10%。長(zhǎng)期以來(lái)，線粒體DNA的A到G轉(zhuǎn)換被認(rèn)為是不可能的。

研究第一作者趙興義說(shuō)：“我們開(kāi)始思考克服這些限制的方法。因此，我們創(chuàng)建了一個(gè)名為T(mén)ALED的新型基因編輯平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)A到G的轉(zhuǎn)換。我們的新堿基編輯器極大地?cái)U(kuò)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(xiàn)，還可為開(kāi)發(fā)治療方法作出巨大貢獻(xiàn)。值得注意的是，其在人類(lèi)mtDNA中能夠進(jìn)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(guò)融合三種不同的成分創(chuàng)造了TALED。第一個(gè)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(gè)組分是TadA8e，一種用于促進(jìn)A到G轉(zhuǎn)化的腺嘌呤脫氨酶。第三個(gè)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(gè)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?yàn)門(mén)adA8e是一種已知僅對(duì)單鏈DNA具有特異性的蛋白質(zhì)。金鎮(zhèn)秀說(shuō)：“以前沒(méi)有人想過(guò)使用TadA8e在線粒體中進(jìn)行堿基編輯，因?yàn)樗鼞?yīng)該只對(duì)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(jiǎng)級(jí)別的成果

研究人員推測(cè)，DddA tox允許通過(guò)瞬時(shí)解開(kāi)雙鏈來(lái)訪問(wèn)雙鏈DNA。這個(gè)轉(zhuǎn)瞬即逝的臨時(shí)時(shí)間窗口允許TadA8e作為一種超快作用的酶，快速進(jìn)行必要的編輯。除了調(diào)整TALED的組件外，研究人員還開(kāi)發(fā)了一種能夠同時(shí)進(jìn)行A到G和C到T堿基編輯以及僅進(jìn)行A到G堿基編輯的技術(shù)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)建包含所需mtDNA編輯的單個(gè)細(xì)胞衍生克隆來(lái)展示這項(xiàng)新技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)TALED既不具有細(xì)胞毒性，也不會(huì)導(dǎo)致mtDNA不穩(wěn)定。此外，核DNA中沒(méi)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(guò)提高編輯效率和特異性來(lái)進(jìn)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(tuán)隊(duì)還專(zhuān)注于開(kāi)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(chēng)贊道：“我相信這一發(fā)現(xiàn)的意義可與2014年獲得諾貝爾獎(jiǎng)的藍(lán)色LED的發(fā)明相媲美。就像藍(lán)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(jì)TALED將迎來(lái)基因組工程的新時(shí)代。”(科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然)

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