科学家首次对线粒体DNA进行精确编辑

一种特殊的细菌酶让研究人员实现了即使是广受欢迎的CRISPR-Cas9基因组编辑系统也无法做到的事情：有针对性地改变线粒体的基因组，线粒体是细胞的关键能量产生结构。

这项技术建立在一种名为碱基编辑的超精密基因编辑版本上，可以让研究人员开发新的方法来研究甚至治疗由线粒体基因组突变引起的疾病。这类疾病通常是母性遗传的，会削弱细胞产生能量的能力。虽然与核基因组相比，线粒体基因组中只有少量基因，但这些突变尤其会损害神经系统和肌肉，包括心脏，对遗传人来说可能是致命的。

但研究这种疾病一直很困难，因为科学家缺乏一种方法来制作具有相同线粒体基因组变化的动物模型。这项最新的技术标志着研究人员第一次做出了这样有针对性的改变，并可能允许研究人员这样做。“这是一个非常令人兴奋的发展，”佛罗里达迈阿密大学的线粒体遗传学家卡洛斯·莫赖斯(Carlos Moraes)说。“修改线粒体DNA的能力将允许我们提出以前不能提出的问题。”这项研究发表在7月8日的“自然1”杂志上。

CRISPR-Cas9允许研究人员根据自己的喜好在几乎每一个进行过测试的有机体中调整基因组。但该工具使用一条RNA将Cas9酶引导到科学家希望编辑的DNA区域。这对细胞核中的DNA很有效，但研究人员无法将RNA穿梭到被膜包围的线粒体中。

2018年末，麻省理工学院和马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的化学生物学家大卫·刘(David Liu)收到了一封来自全国各地的电子邮件：在西雅图，华盛顿大学微生物学家约瑟夫·穆格斯(Joseph Mougous)领导的一个团队发现了一种奇怪的酶。这是一种由伯克霍尔德氏菌(Burkholderia Cenocepacia)产生的毒素，当它遇到DNA碱基C时，它会将其转换为U。因为U在DNA中并不常见，所以复制细胞DNA的酶将其复制为T，从而有效地将基因组序列中的C转换为T。

刘在碱基编辑中利用了类似的酶，这允许研究人员使用CRISPR-Cas9的组件将一个DNA碱基改变为另一个。但这些被称为胞苷脱氨酶的酶通常只作用于单链DNA。人类细胞中的DNA由缠绕在一起的两条链组成，在过去，刘不得不依靠Cas9酶来断裂DNA，并创建一个解开的单链DNA区域，以便他的酶发挥作用。因为它依赖于引导Cas9的RNA链，所以这项技术不能到达线粒体基因组。

但是Mougous的研究小组发现的一种名为DddA的酶可以直接作用于双链DNA，而不需要依赖Cas9酶来破坏它。刘和Mougous推断，这可以使DddA适合于到达线粒体基因组。

但是为了把DddA变成一个基因组编辑工具，刘首先需要“驯服野兽”-修改双链DNA的能力也让这种酶变得致命，因为如果放任不管，它遇到的每一个C都会发生突变。为了防止这种情况，研究小组将酶分成两个片段，只有在以正确的方向结合在一起时，这两个片段才会改变DNA。为了控制酶修饰的DNA序列，研究小组随后将DddA的每一半与蛋白质联系起来，这些蛋白质被设计成与基因组中的特定位点结合。

刘警告说，这项工作距离临床使用还有很长的路要走。他说，尽管他的团队的初步研究发现，目标外的DNA变化很少-这是CRISPR-Cas9基因编辑中的一个常见问题-但还需要对不同细胞类型进行更多的研究。

这项技术最终可以补充现有的用于预防或治疗线粒体疾病的方法。一些国家已经允许了一种名为线粒体置换的程序，在这种程序中，卵子或胚胎的细胞核被移植到含有健康线粒体的捐赠者卵子或胚胎中。

研究人员还一直在开发一种技术，通过利用细胞可以包含数千个线粒体基因组拷贝的事实来纠正线粒体突变，而且通常情况下，这些拷贝中的一小部分不包含与疾病相关的突变。莫赖斯和其他人一直在开发酶，这种酶将进入线粒体，并在有害突变部位切割DNA。线粒体通常会简单地降解受损的DNA，而不是修复伤口。其结果将是线粒体耗尽了基因组的突变拷贝，最终允许正常拷贝重新填充结构。

英国剑桥大学的线粒体遗传学家Michal Minczuk说，最新的编辑方法可以让研究人员即使在线粒体缺乏足够的正常基因副本的情况下也能纠正这种突变。他说，虽然医学应用还很遥远，但研究人员将在短期内受益，因为他们可以利用这项技术来建立动物模型，在动物模型中他们可以研究线粒体突变的影响。“我们可以极大地加快这一进程，”他说。“这是向前迈出的令人惊叹的一步。”