◎科技日報記者 張夢然
南韓基礎科學研究所（IBS）基因組工程中心研究人員開發了一種新的基因編輯平台，稱為類轉錄激活因子效應相關脫氨酶（TALED）。TALED是能夠線上粒體中進行A到G堿基轉換的堿基編輯器。這一發現是長達數十年治愈人類遺傳疾病之旅的結晶，而TALED，也被認為是基因編輯技術中最後缺失的一塊拼圖。研究成果發表在最新一期《細胞》雜志上。
“基因剪刀”的魔力與缺憾
從1968年第一個限制性内切酶的發現、1985年聚合酶鍊式反應的發明到2013年CRISPR介導的基因組編輯的示範，生物技術的每一個新突破發現都進一步提高了操縱DNA的能力。特别是，新近開發的CRISPR—Cas系統（“基因剪刀”）允許對活細胞進行全面的基因組編輯。這為通過編輯人類基因組中的突變來治療以前無法治愈的遺傳疾病開辟了新的可能性。
生物技術重大發現的曆史時間表。圖源：南韓基礎科學研究所
雖然基因編輯在細胞的核基因組中取得了很大的成功，然而，科學家們在編輯擁有自己基因組的線粒體方面并不成功。線粒體，即所謂的“細胞的動力室”，是細胞中的微小細胞器，充當能量産生工廠。由于它是能量代謝的重要細胞器，如果基因發生突變，則會導緻與能量代謝相關的嚴重遺傳疾病。
南韓IBS基因組工程中心主任金鎮秀解釋說：“由于線粒體DNA缺陷，出現了一些非常嚴重的遺傳性疾病。例如，導緻雙眼突然失明的Leber遺傳性視神經病變是由線粒體DNA中的簡單單點突變引起的。”另一種線粒體基因相關疾病包括伴有乳酸性酸中毒和卒中樣發作的線粒體腦肌病，它會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症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個已知的緻病點突變，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，許多現有基因組編輯工具無法使用。例如，CRISPR—Cas平台不适用于編輯線粒體中的這些突變，因為引導RNA無法進入細胞器本身。
圖源：視覺中國
“另一個問題是缺乏這些線粒體疾病的動物模型。這是因為目前不可能設計出建立動物模型所需的線粒體突變。”金鎮秀補充道，“缺乏動物模型使得開發和測試這些疾病的治療方法變得非常困難。”
是以，編輯線粒體DNA的可靠技術是基因組工程的前沿領域之一，為了征服所有已知的遺傳疾病，必須探索這一前沿領域，世界上最優秀的科學家多年來一直在努力使其成為現實。
2020年，由美國哈佛大學博德研究所和麻省理工學院劉如謙上司的研究團隊建立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進行C到T轉換。這是通過創造一種稱為堿基編輯的新基因編輯技術來實作的，該技術将單個核苷酸堿基轉化為另一個堿基而不會破壞DNA。但是，這種技術也有其局限性。它不僅僅限于C到T轉換，而且主要限于TC基序，使其成為有效的TC-TT轉換器。這意味着它隻能糾正90個已确認的緻病性線粒體點突變中的9個，也就是10%。長期以來，線粒體DNA的A到G轉換被認為是不可能的。
研究第一作者趙興義說：“我們開始思考克服這些限制的方法。是以，我們建立了一個名為TALED的新型基因編輯平台，可實作A到G的轉換。我們的新堿基編輯器極大地擴充了線粒體基因組編輯的範圍。這不僅可為建立疾病模型作出巨大貢獻，還可為開發治療方法作出巨大貢獻。值得注意的是，其在人類mtDNA中能夠進行A到G的轉化可糾正90種已知緻病性突變中的39種，約為43%。”
研究人員通過融合三種不同的成分創造了TALED。第一個組分是轉錄激活子樣效應子，它能夠靶向DNA序列。第二個組分是TadA8e，一種用于促進A到G轉化的腺嘌呤脫氨酶。第三個組分DddAtox，是一種使DNA更容易被TadA8e擷取的胞嘧啶脫氨酶。
顯示TALEDs如何線上粒體中工作的圖形摘要。首先腺嘌呤脫氨基成肌苷，接下來肌苷通過DNA修複或複制轉化為鳥嘌呤。圖源：南韓基礎科學研究所
TALED的一個有趣的方面是TadA8e在具有雙鍊DNA的線粒體中執行A到G編輯的能力。這是一種神秘的現象，因為TadA8e是一種已知僅對單鍊DNA具有特異性的蛋白質。金鎮秀說：“以前沒有人想過使用TadA8e線上粒體中進行堿基編輯，因為它應該隻對單鍊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明了TALED。”
諾貝爾獎級别的成果
研究人員推測，DddA tox允許通過瞬時解開雙鍊來通路雙鍊DNA。這個轉瞬即逝的臨時時間視窗允許TadA8e作為一種超快作用的酶，快速進行必要的編輯。除了調整TALED的元件外，研究人員還開發了一種能夠同時進行A到G和C到T堿基編輯以及僅進行A到G堿基編輯的技術。
研究團隊通過建立包含所需mtDNA編輯的單個細胞衍生克隆來展示這項新技術。他們發現TALED既不具有細胞毒性，也不會導緻mtDNA不穩定。此外，核DNA中沒有不良的脫靶編輯，mtDNA中的脫靶效應也很少。研究人員現在的目标是通過提高編輯效率和特異性來進一步改善TALED，最終為糾正胚胎、胎兒、新生兒或成年患者中的緻病mtDNA突變鋪平道路。研究團隊還專注于開發适用于葉綠體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。
基礎科學研究所科學傳播者蘇威廉稱贊道：“我相信這一發現的意義可與2014年獲得諾貝爾獎的藍色LED的發明相媲美。就像藍色LED是讓我們擁有高能效白光LED光源的最後一塊拼圖一樣，預計TALED将迎來基因組工程的新時代。”
來源：科技日報
編輯：李曉航（實習）
稽核：朱麗
終審：王郁