線粒體（細(xì)胞產(chǎn)生能量的細(xì)胞器）中的基因組參與疾病和關(guān)鍵的生物學(xué)功能，精確地改變這種DNA的能力將使科學(xué)家能夠更多地了解這些基因和突變的影響，也將徹底改變了細(xì)胞核中DNA編輯的技術(shù)無法到達(dá)線粒體基因組的困境。

來自麻省理工學(xué)院，Broad研究所以及華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)利用一種新型分子編輯器打破了原有障礙，該分子編輯器可以使線粒體DNA中的C * G-to-T * A核苷酸發(fā)生精確變化。該編輯器是由細(xì)菌毒素改造而成，能夠?qū)εc疾病相關(guān)的線粒體DNA突變進(jìn)行建模，從而為更好地理解與癌癥，衰老等相關(guān)的基因變化打開了新的大門。

“我們團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)了一種處理DNA的新方法，并首次使用它來精確編輯人類線粒體基因組，這為解決分子生物學(xué)中長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)提供了解決方案。這項(xiàng)工作證明了基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究之間的合作，而且除了線粒體生物學(xué)以外，這一技術(shù)可能還有其他應(yīng)用�！�

“細(xì)菌毒劑”

目前研究線粒體DNA突變的大多數(shù)方法都需要使用患者來源的細(xì)胞或少數(shù)動(dòng)物模型，“但是這些方法存在主要局限性，創(chuàng)建新的定義模型是不可能的”，作者之一Vamsi Mootha教授說。

盡管基于CRISPR的技術(shù)可以快速精確地編輯細(xì)胞核中的DNA，極大地促進(jìn)了許多疾病的模型創(chuàng)建，但是這些工具仍無法編輯線粒體DNA，因?yàn)樗鼈円蕾囉趯?dǎo)向RNA靶向基因組中的位置。線粒體膜允許蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞器，但不知是否有可運(yùn)輸RNA的途徑。

當(dāng)Mougous實(shí)驗(yàn)室鑒定出病原菌Burkholderia cenocepacia產(chǎn)生的有毒蛋白質(zhì)時(shí)，一種潛在的解決方案出現(xiàn)了，這種蛋白質(zhì)可以通過將雙鏈DNA中的胞嘧啶（C）直接變?yōu)槟蜞奏ぃ║）來殺死其他細(xì)菌。

“這種蛋白質(zhì)的特殊之處在于，它具有靶向雙鏈DNA的能力，并且它可能具有獨(dú)特的編輯應(yīng)用，以前描述的靶向DNA的所有脫氨酶只能以單鏈形式起作用，這限制了它的作用方式，”Mougous說。

之后他的團(tuán)隊(duì)解析了這種名為DddA的毒素的結(jié)構(gòu)和生化特性。

“我們意識(shí)到這種'細(xì)菌毒劑'的特性可以使其與基于非CRISPR的DNA靶向系統(tǒng)配對(duì)，從而提高了使不依賴CRISPR或?qū)�向RNA的堿基編輯者的可能性，” Liu解釋說，“最終，它幫助我們?cè)谏�物學(xué)的最后一個(gè)角落（線粒體DNA）完成精確的基因組編輯�！�

“馴服野獸”

研究小組的第一個(gè)主要挑戰(zhàn)是消除這種成分的毒性，Liu和Mougous說，這就像是“馴服野獸”，因?yàn)橐�確保它可以編輯DNA而不會(huì)損壞細(xì)胞。研究人員將蛋白質(zhì)分為兩個(gè)非活性部分，只有結(jié)合在一起才能編輯DNA。

研究人員將馴服的細(xì)菌毒素的兩半束縛在TALE DNA結(jié)合蛋白上，這種蛋白可以在不使用導(dǎo)向RNA的情況下定位，結(jié)合細(xì)胞核和線粒體中的靶向DNA序列。該復(fù)合體重新組裝成其活性形式，并在該位置將C轉(zhuǎn)換為U。最終導(dǎo)致C * G-to-T * A的基本編輯。

研究人員稱這種工具為DddA-derived cytosine base editor (DdCBE)。

研究小組在人體細(xì)胞線粒體基因組中的五個(gè)基因上測(cè)試了DdCBE，發(fā)現(xiàn)DdCBE在多達(dá)50％的線粒體DNA中進(jìn)行了精確的堿基編輯，然后他們研究了編碼線粒體酶復(fù)合體I亞基的ND4基因，同時(shí)Mootha的實(shí)驗(yàn)室分析了所編輯細(xì)胞的線粒體生理學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)這些變化會(huì)按預(yù)期影響線粒體。

Mootha表示：“這是我職業(yè)生涯中第一次能夠?qū)�線粒體DNA進(jìn)行精確的編輯。這是一個(gè)巨大的飛躍，如果我們能夠進(jìn)行針對(duì)性的突變，我們就可以開發(fā)用于研究疾病的模型，確定突變?cè)诩膊≈械膶?shí)際作用，并篩選藥物，分析藥物對(duì)所涉及途徑的影響�！�

未來發(fā)展

現(xiàn)在，研究人員的一個(gè)目標(biāo)是開發(fā)可以精確地在線粒體DNA中進(jìn)行其他類型遺傳改變的編輯器。

線粒體基因組編輯器具有長(zhǎng)期的潛力，可以發(fā)展成為治療線粒體源性疾病的療法，它具有更直接的價(jià)值，可作為科學(xué)家用來更好地模擬線粒體疾病，并探索與線粒體生物學(xué)有關(guān)的基本問題的工具和遺傳學(xué)”。

研究小組補(bǔ)充說，DdCBE的某些功能（例如不用RNA）可能對(duì)線粒體以外的其他基因編輯應(yīng)用也具有吸引力。