CELL | 线粒体 DNA 编辑技术最新进展

图 1 来源：William I. Suh, Institute for Basic Science

一、线粒体 DNA 编辑领域的新革命

2022 年 4 月 25 日，韩国基础科学研究所（IBS）的 Jin-Soo Kim 实验室在 Cell 杂志发表研究论文 Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases [2]。该论文以刘如谦团队开发的线粒体基因组精准编辑工具 DdCBE 为基础，进一步结合腺嘌呤脱氨酶 TadA 的研究成果，开发出了可对线粒体基因组进行 A-G 精准编辑的新工具 TALEDs（transcription activator-like effector-linked deaminases），为基因编辑技术领域填补了一项重要的空白，将长达数十年的治愈人类遗传疾病之旅推向了高潮！

图 2：来源 Cell

研究人员通过融合三种不同的成分创造了 TALED。第一部分是转录激活因子样效应物（TALE），它能够靶向特定的 DNA 序列；第二部分是 TadA8e，一种腺嘌呤脱氨酶，用于实现 A 到 G 碱基的转换；第三个主要部分是一种胞嘧啶脱氨酶 DddA_tox，使 DNA 更容易被 TadA8e 捕获并编辑。研究人员推测，DddA_tox 可以使得双链 DNA 短暂地解开双链，TadA8e 正是通过这个短暂的时间窗口，对 dsDNA 进行快速的编辑。

有趣的是，TadA8e 一直被认为是一种仅对单链 DNA 具有特异性的蛋白质，但在这里被用于在线粒体的双链 DNA 中进行碱基编辑。这篇论文的通讯作者 Kim 教授表示：「以前没有人想过用 TadA8e 在线粒体中进行碱基编辑，因为它被认为只对单链 DNA 具有特异性作用。正是这个跳出传统框架的思维方法，帮助我们发明了 TALED。」

该研究首先将 DdCBE 中的部分 UGI 替换为 TadA8e 并研究其碱基编辑活性，发现改造后的 sTALED-UGI 具有明显的 A-G 编辑活性（19%），并保留着 C-T 编辑活性。进一步删除其余 UGI 功能域，最终得到的 sTALED 工具只保留有 A-G 编辑活性，且对线粒体基因组的编辑效率最高可达 49%。

在此基础上，研究者们设计出两种新工具——单体 TALEDs（mTALEDs）和二聚体 TALEDs（dTALEDs）。根据不同的 A-G 编辑需求，通过筛选优化 TALE 结合位点，改变三种 TALEDs 的活性窗口，即可精准地实现线粒体基因组编辑！

图 3：来源 Cell

令人振奋的是，TALEDs 对线粒体基因组的 A-G 单碱基编辑能稳定遗传，在线粒体 DNA 和细胞核 DNA 水平的脱靶风险很低。该项新发现攻克了 CRISPR-Cas 系统因为向导 RNA 不能穿越线粒体膜的难题，为线粒体基因组编辑开创了新的广阔前景。

研究人员表示，未来的目标是通过提高编辑效率和特异性来进一步改善 TALEDs，最终为纠正胚胎、新生儿或成年患者中致病的 mtDNA 突变铺平道路。

二、线粒体基因组编辑

在哺乳动物中，细胞核和线粒体可以储存遗传信息。此外，线粒体作为细胞中的微小细胞器，小小的身体却有着大大的能量，可谓是「细胞的发电站」，是能量产生的工厂。

人类线粒体基因组 16,569bp，从母系遗传而来，其中 95% 的序列编码 13 种蛋白质、22 种 tRNA 以及 2 种核糖体 RNA，这些 RNA 对于氧化磷酸化过程以及 ATP 形式的细胞能量的产生至关重要。目前已知线粒体 DNA 中有 90 种致病点突变，每 5000 人中至少有 1 人会发生这种突变，当发生基因突变，就会引起与能量代谢相关的严重遗传疾病，如二型糖尿病、心肌病以及神经退行性疾病。

令人遗憾的是，限于技术和动物模型构建的障碍，尽管基因编辑在细胞的核基因组方面取得了很大的成功，但在编辑线粒体方面并不顺利。

2020 年，刘如谦教授团队开发的名为 DdCBEs 的基因编辑工具，可以实现线粒体 DNA 从 C 碱基到 T 碱基的转换，这也是科学家首次在人体细胞中进行线粒体 DNA 的编辑。但是，该技术存在一定的局限性，它不只是仅限于 C 到 T 碱基的转换，而是只能进行 TC-TT 序列的转换。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（= 10%)。

值得注意的是，在人类线粒体 DNA 中，若能进行 A 到 G 碱基的转换，可以纠正 90 种已知致病性突变中的 39 种（= 43%）。但在很长一段时间内, 线粒体 DNA 的 A 到 G 碱基的转换被认为是不可能的。而如今 TALEDs 平台的建立，无疑是治疗人类遗传疾病的一剂强心剂，为掌握线粒体背后的生命密码、实现基因组信息精准编辑提供了利器！

三、基因编辑技术的临床应用

基因编辑技术为攻克人类疑难杂症而生，用来失活或者修正病人体内的致病基因，为患有遗传疾病的人们提供第二次生命，其中囊泡性纤维症、亨廷顿舞蹈症、杜氏肌营养不良以及镰刀型贫血症均是因单个基因突变引起的疾病，令无数人深陷疾病阴影，带来巨大的生理和心理负担。基因编辑的临床潜在应用为治疗上述疾病带来了新的希望。

基因编辑技术的临床应用具有广阔的前景，技术日新月异的发展更是令人振奋不已，然而其应用必须受到科学家、医生、生物伦理学家以及监管机构的通力合作，绝不可肆意而为，方才能合理有效地应用这把双刃剑，保证其有效性和安全性。

如今，线粒体基因组编辑技术障碍被攻克，为基因编辑技术的临床应用增砖添瓦，为线粒体功能和基因治疗研究提供了新希望。如何把握科学技术与伦理道德间的界限与平衡，亦需要得到科学家们的重视，其后续发展让我们拭目以待！

参考文献：

1. Mok, B.Y., de Moraes, M.H., Zeng, J. et al. A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing. Nature 583, 631–637 (2020).

2. Sung-Ik Cho, Seonghyun Lee, Young Geun Mok, Kayeong Lim, Jaesuk Lee, Ji Min Lee, Eugene Chung, Jin-Soo Kim. (2022). Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases. Cell. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.039