线粒体碱基编辑器实现小鼠体内mtDNA编辑,剑桥大学线粒体遗传专家:未来或可代替「三亲婴儿」疗法
线粒体为我们的生命活动提供了源源不断的能量,它是细胞的 “能量工厂”。其内部有一套独立于细胞核以外的遗传物质 —— 线粒体 DNA(mtDNA,又被称为 “人类第 25 号染色体”),是一种半自主性的细胞器。人类线粒体 DNA 占整个人类基因组的 0.1%,大小约为 16569bp,含有 37 个基因,共编码 13 种蛋白质。这些蛋白质主要用来参与细胞的能量代谢,对人体的生命活动至关重要。线粒体的遗传物质发生突变同样会带来遗传性疾病,例如已知的线粒体肌病、母系遗传 Leigh 综合征、Leber 遗传性视神经病、共济失调舞蹈病、骨骼肌溶解症等几十种遗传疾病。这些疾病在很大程度上无法治愈,且通常是致命的疾病。据统计,大约 5000 人中就有 1 个人深受线粒体疾病的折磨。针对线粒体疾病,目前没有可以治愈的治疗方法。值得一提的是,线粒体疾病是一种母系遗传疾病,线粒体几乎全部由母亲传递给子女。当母亲确诊 mtDNA 突变时,一种被认为是最根本的治疗方法就是纠正卵细胞,即 “三亲婴儿”,胚胎的 DNA 来自三个人:父亲提供精子、母亲提供卵细胞核、女性捐赠者提供去除细胞核的卵细胞。2015 年,英国成为第一个批准合法实施 “三亲婴儿” 技术的国家;2016 年,华人医学博士张进(John Zhang)缔造了全球第一例 “三亲婴儿”。图 | 世界第一例 “三亲婴儿”(来源:mouthsofmums.com)除此之外,科学家们还在研究针对线粒体疾病的基因治疗。谈起基因治疗,就离不开基因编辑工具。传统的三大基因编辑技术 CRISPR Cas9、TALEN 和 ZFN 主要作用于细胞核中的基因,对于线粒体中基因的编辑存在着很大的问题。CRISPR Cas9 系统一般包括一段人工合成的 Guide RNA 和 cas9 酶,而 RNA 不能进入线粒体,因此,CRISPR Cas9 技术不能对线粒体基因进行编辑。目前改造线粒体 DNA 的方法主要是利用无 RNA 系统的核酸酶。转录激活因子样效应物核酸酶(TALEN)系统和锌指核酸酶(ZFN)系统都是通过识别特定的 DNA 序列进行工作的,因此可以进入线粒体发挥基因编辑的作用,但是这两种技术存在一个缺陷就是,它们都是通过将携带的突变 mtDNA 直接降解来消除突变的。这会使得 mtDNA 拷贝数降低,而 mtDNA 拷贝数的降低可能会在实际疾病治疗中带来更多的风险。基于以上原因,一种专门用于线粒体的碱基编辑工具的开发迫在眉睫。2020 年 7 月,基因编辑领域知名科学家、哈佛大学和 Broad 研究所教授 David Liu 的团队在 Nature 上发表了关于线粒体基因编辑技术的最新研究进展,开发出了首个 “线粒体 DNA 精确编辑的分子工具” 。线粒体碱基编辑器 DdCBE(derived cytosine base editor)的建立,是基于细菌毒素 DddA 的发现。在研究细菌如何利用毒素互相攻击时,科学家发现一种对单链 DNA(ssDNA)没有效果的脱氨酶,它可以直接作用于双链 DNA(dsDNA),将其中的胞嘧啶(C)转变成尿嘧啶(U),从而杀死细菌,这种细菌毒素被命名为 DddA(double-stranded DNA deaminase toxin A,双链 DNA 脱氨酶毒素 A)。这种细菌毒素对于人体细胞是有毒的,如果不加以控制,它将肆意破坏 DNA,将遇到的所有胞嘧啶(C)都进行突变。经过被 David Liu 称之为 “驯服野兽” 的改造后,在模式细胞人类人胚胎肾细胞 HEK293T 中,研究人员证实了 DdCBE 系统的编辑能力。他们测试了线粒体基因组中的 5 个基因,处理 3~6 天后,碱基编辑效率在 4.6%~49%,脱靶效应基本也在 0.05% 以下。近日,在 Nature Communications 刊登的一篇论文,证明了 DdCBE(derived cytosine base editor,一种线粒体碱基编辑工具)可以在成年和新生小鼠中进行所需的线粒体 DNA 编辑。这项概念验证研究来自剑桥大学 MRC 线粒体生物学部门的研究员 Michal Minczuk 的实验室。(来源:Nature Communications)在这项研究中,研究人员通过使用腺相关病毒(AAV)载体将 DdCBE 递送到小鼠心脏,在成年和新生小鼠中进行所需的线粒体 DNA 编辑,均得到了相应的表达结果。“这是第一次有人能够改变活体动物线粒体中的 DNA 碱基对”,Minczuk 实验室的博士后研究员 Pedro Silva-Pinheiro 博士指出, “这表明,原则上,我们可以进入并纠正有缺陷的线粒体 DNA 中的拼写错误,从而产生健康的线粒体,使细胞能够正常运作。”Minczuk 指出:“在我们的疗法能够治疗线粒体疾病之前,显然还有很长的路要走。但它表明,未来的治疗有可能消除线粒体替代疗法的复杂性,并允许在儿童和成人中修复有缺陷的线粒体。”而就在前不久,我国学者在 Cell Discovery 上发表了题为 “Human cleaving embryos enable efficient mitochondrial base-editing with DdCBE” 的研究论文,证实了 DdCBE 可在人类早期胚胎中实现高效的线粒体碱基编辑,并且在 8 细胞胚胎中的效率要高得多。尽管距离应用到临床还有很长的路要走,但现在我们已经看到了黎明前的曙光,这将为线粒体疾病的治疗提供一种更为有效的办法。- https://www.genengnews.com/news/base-editors-modify-mitochondrial-genome-in-live-mice/
- https://mouthsofmums.com.au/the-worlds-first-three-parent-baby-with-three-sets-of-dna/
- https://www.nature.com/articles/s41586-020-2477-4
- https://www.nature.com/articles/s41467-022-28358-w
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