新的分子工具可精确编辑线粒体DNA

线粒体中的基因组-细胞产生能量的细胞器-参与疾病和关键的生物学功能，而精确改变这种DNA的能力将使科学家能够更多地了解这些基因和突变的作用。但是，已经彻底改变了细胞核中DNA编辑的精确编辑技术无法到达线粒体基因组。

现在，麻省理工学院和哈佛大学广泛研究所以及华盛顿大学医学院的一个团队利用一种新型的分子编辑器打破了这一障碍，该分子编辑器可以使线粒体DNA中的C * G-to-T * A核苷酸发生精确变化。该编辑器是由细菌毒素改造而成的，能够对与疾病相关的线粒体DNA突变进行建模，从而为更好地理解与癌症，衰老等相关的基因变化打开了大门。

《自然》杂志对这项工作进行了描述，第一作者是来自Broad Institute和哈佛大学的研究生Beverly Mok，以及华盛顿大学(UW)的博士后研究员Marcos de Moraes。

这项研究工作由美国大学微生物学教授兼霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的研究员约瑟夫·穆格斯(Joseph Mougous)和理查德·默金(Richard Merkin)教授，博德研究所的医疗医学转化技术研究所所长大卫·刘(David Liu)共同监督，哈佛大学化学与化学生物学教授，HHMI调查员。

Liu说：“据我们所知，该团队首次开发了一种处理DNA的新方法，并首次使用它来精确编辑人类线粒体基因组-为解决分子生物学中长期存在的挑战提供了解决方案。”“这项工作证明了基础研究和应用研究之间的合作，并且可能除了线粒体生物学以外，还有其他应用。”

细菌战剂

目前研究线粒体DNA特定变异的大多数方法涉及使用患者衍生的细胞或少数动物模型，其中偶然发生了突变。“但是这些方法存在主要局限性，创建新的，定义好的模型是不可能的，” Broad代谢计划的研究所成员兼联合主任Vamsi Mootha说。Mootha还是马萨诸塞州总医院的HHMI调查员和医学教授。

尽管基于CRISPR的技术可以快速精确地编辑细胞核中的DNA，极大地促进了许多疾病的模型创建，但这些工具仍无法编辑线粒体DNA，因为它们依赖于指导RNA靶向基因组中的位置。线粒体膜允许蛋白质进入细胞器，但未知具有可运输RNA的途径。

当Mougous实验室发现由病原菌Burkholderia cenocepacia产生的有毒蛋白质时，出现了一种潜在的解决方案。这种蛋白质可以通过直接将双链DNA中的胞嘧啶(C)变为尿嘧啶(U)来杀死其他细菌。

“这种蛋白质的特殊之处在于，它具有靶向双链DNA的能力。它向我们暗示了它可能具有独特的编辑应用。以前描述的所有靶向DNA的脱氨酶仅以单链形式起作用，这限制了其作用方式。它们可以用作基因组编辑器。” Mougous说。他的团队确定了称为DddA的毒素的结构和生化特征。

“我们意识到这种'细菌战剂'的特性可以使其与基于非CRISPR的DNA靶向系统配对，从而增加了使不依赖CRISPR或指导RNA的碱基编辑者的可能性，”刘解释。“它可以使我们最终在生物学的最后一个角落-线粒体DNA——中进行精确的基因组编辑。”

“驯服野兽”

研究小组的第一个主要挑战是消除细菌剂的毒性-刘向Mougous描述为“驯服野兽”-以便它可以编辑DNA而不会损坏细胞。研究人员将蛋白质分为两个非活性部分，它们只有结合在一起才能编辑DNA。

研究人员将驯服的细菌毒素的两半拴在TALE DNA结合蛋白上，该蛋白可以在核和线粒体中定位并结合靶DNA序列，而无需使用引导RNA。当这些片段彼此相邻地结合DNA时，复合物重新组装成其活性形式，并在该位置将C转换为U -最终导致C * G-to-T * A基本编辑。研究人员称他们的工具为DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器(DdCBE)。

该团队在人类细胞线粒体基因组中的五个基因上测试了DdCBE，发现DdCBE在高达50%的线粒体DNA中安装了精确的碱基编辑。他们着眼于基因ND4，该基因编码线粒体酶复合体I的一个亚基，以进行进一步的鉴定。Mootha的实验室分析了所编辑细胞的线粒体生理和化学性质，结果表明这些变化会按预期影响线粒体。

“这是我职业生涯中第一次能够对线粒体DNA进行精确的编辑，” Mootha说。“这是一个巨大的飞跃，如果我们能够进行有针对性的突变，我们就可以开发模型来研究与疾病相关的变异，确定它们在疾病中的实际作用，并筛选药物对相关途径的影响。”

未来发展

现在，该领域的一个目标是开发可以精确地对线粒体DNA进行其他类型的遗传改变的编辑器。

线粒体基因组编辑者具有长期的潜力，可以发展成为治疗线粒体源性疾病的治疗方法，它具有更直接的价值，可作为科学家可以用来更好地模拟线粒体疾病并探索与线粒体生物学有关的基本问题的工具和遗传学，”穆古斯说。

研究小组补充说，DdCBE的某些功能(例如缺少RNA)可能对线粒体以外的其他基因编辑应用也具有吸引力。

NIH(R01AI080609，U01AI142756，RM1HG009490，R35GM122455，R35GM118062和P30DK089507)，国防威胁减少机构(1-13-1-0014)和华盛顿大学在一定程度上为这项工作提供了支持囊性纤维化基金会