▎藥明康德内容團隊編輯
今天，一篇線上發表于《細胞》雜志的論文介紹了一項重要突破：來自南韓的研究團隊首次線上粒體DNA中實作A堿基到G堿基的轉換，為基因編輯技術填補上一塊至關重要的拼圖，也帶來了治愈多種線粒體遺傳病的希望。
從上世紀60年代首次發現限制性内切酶，到1985年發明PCR技術，再到最近十年CRISPR技術誕生、用于活體生物的基因編輯，短短半個世紀，人類在一次又一次的突破中實作了操縱DNA能力的巨大飛躍。其中，CRISPR的出現更是讓科學家能高效編輯基因組中的緻病突變，為衆多遺傳病提供全新的治療方案。
不過，還有一朵烏雲長期籠罩在基因編輯領域的上空，這就是線粒體DNA的編輯。
作為參與能量代謝的重要細胞器，線粒體中也含有少量來自母系的DNA。如果這部分基因發生突變，則可能導緻多種與代謝相關的遺傳疾病。
例如，Leber遺傳性視神經病變（LHON）可能導緻患者失明，這種兇險的疾病就是由線粒體DNA的點突變導緻的。線粒體DNA突變還可能導緻某些線粒體腦肌病，患者的大腦遭受損傷，可能出現癫痫、精神行為異常等症狀。平均每5000個人裡，就有一個人患上線粒體點突變導緻的遺傳病。
盡管基因編輯工具最近十年迎來爆發式發展，但面對線粒體遺傳病時，這些工具卻總是難以奏效。例如，當下最為盛行的CRISPR-Cas系統就因為向導RNA不能穿越線粒體膜，因而無法用于治療線粒體疾病。
圖檔來源：123RF
線粒體DNA的編輯，可以說是基因編輯領域最後一塊未經涉足的土地，而這個難題也成為治愈多種遺傳疾病必須跨越的障礙。
2020年，一項革命性的突破到來。Broad研究所的劉如謙教授團隊開發了一款名為DdCBE的基因編輯工具，可以直接修改雙鍊DNA上的堿基，實作從C堿基到T堿基的轉換，這也是科學家首次在人體細胞中進行線粒體DNA的編輯。
不過，作為線粒體DNA編輯的開拓性成果，DaCBE也有不足之處：其隻能高效地進行TC-TT序列的轉換，在90個已知的緻病線粒體突變位點中，隻有9個能得到修複。
而在這90個突變位點中，有多達39個都可以通過A-G堿基的轉換來修複。如果能找到實作A-G轉換的手段，那麼包括上述兩種疾病在内，多種線粒體遺傳病都有望迎來治愈的方法。
在這項發表于《細胞》的最新研究中，來自南韓基礎科學研究所基因編輯中心的研究團隊終于完成了這項“不可能的任務”，他們開發出一款全新的基因編輯平台，命名為轉錄激活因子樣效應物相關脫氫酶（transcription activator-like effector-linked deaminases，簡稱TALED）。
▲TALED編輯線粒體DNA的示意圖（圖檔來源：參考資料[1]）
論文第一作者CHO Sung-Ik表示：“我們設計的新型堿基編輯器極大地拓展了線粒體DNA編輯的範圍，這不僅有助于建構疾病模型，還将幫助人們開發新療法。”
TALED到底是什麼？接下來我們将看到，TALED由3個功能各異的主要部分組成，它們環環相扣、共同協作，最終完成這項基因編輯任務。
第一個部分，可以看作TALED的向導。前面說到，常見的基因編輯系統無法進入線粒體。為了解決這個問題，TALED與劉如謙團隊開發的DaCBE一樣，使用了轉錄激活因子樣效應物（TALE）。作為一種DNA結合蛋白，TALE蛋白能夠靶向特異的DNA序列，其線上粒體靶向序列（MTS）的引導下進入線粒體，并且與特定的線粒體DNA序列結合。
到這裡，TALED就被帶到了工作場所。在這裡，輪到TALED的第二個部分登場。研究團隊需要找到合适的脫氫酶，在這裡實作A-G堿基的轉換。為此，他們選擇是名為TadA8e的腺嘌呤脫氫酶，其由大腸杆菌的腺嘌呤脫氫酶改造而來。
這個選擇頗具創意，因為TadA8e被認為是一種專門對單鍊DNA起作用的蛋白，但在這裡，它需要線上粒體的雙鍊DNA中進行堿基編輯。
這篇論文的通訊作者，基因編輯中心主任KIM Jin-Soo教授說：“沒有人想過用TadA8e線上粒體中進行堿基編輯，因為它被認為隻對單鍊DNA起作用。正是這個跳出傳統架構的想法，幫助我們發明了TALED。”
而幫助TadA8e做到這一點的，是TALED的最後一個主要部分：胞嘧啶脫氫酶DddAtox。DddAtox使得雙鍊DNA可以短暫地解開，而TadA8e正是抓住了這個轉瞬即逝的時間視窗，在人類細胞的線粒體中高效催化A-G堿基的轉換，編輯頻率可高達49%。
▲TALED實作了A-G堿基的轉換（圖檔來源：參考資料[1]）
通過對TALED的調整，研究團隊分别開發出能同時實作A-G以及C-T堿基轉換的技術，以及僅進行A-G轉換的技術。
當然，作為一項開創性的技術，TALED仍有不完美之處，例如在進行堿基編輯時，可能會造成與目标位點相鄰的核苷酸也發生轉換；此外，TALED是否會在哺乳動物細胞中産生脫靶效應也有待觀察。
但毫無疑問，TALED技術的出現讓我們又多了一種極具潛力的基因編輯工具，吹散基因編輯最後的烏雲。展望這項技術的未來應用場景，研究團隊希望能提升TALED的編輯效率與特異性，最終能夠分别在胚胎、新生兒與成年患者體内修正緻病的線粒體突變。我們期待，那些受困于線粒體遺傳病的人們終将迎來治愈的一刻。
參考資料：
[1] 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
[2] A new era of mitochondrial genome editing has begun. Retrieved Apr 25th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/950486
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