《自然》:基因編輯獲重大突破!全新技術首次實現線粒體DNA的精準編輯

2020-12-13 騰訊網

搓搓手，今天基因編輯技術又登上一個新臺階了！

這次迎來解答的是CRISPR也沒搞定的歷史遺留難題——對線粒體DNA的精準編輯。

今日，《自然》雜誌刊登了一項新研究[1]，科學家們利用一種細菌毒素DddA開發了針對線粒體DNA的單鹼基編輯器DdCBE，可直接針對雙鏈DNA將C-G鹼基對編輯為T-A鹼基對，而且編輯效率很高，也幾乎沒有脫靶效應。該研究通訊作者為劉如謙和Joseph D. Mougous。

看完論文奇點糕不禁感嘆，這個編輯器真是精妙極了，人類的智慧牛逼（為劉老師打電話——

圖源 | science.com

DddA是一種細菌毒素，最開始是通訊作者之一、微生物學家Mougous團隊中一位博士後Marcos de Moraes發現的。2018年，de Moraes發現DddA具有催化胞嘧啶脫氨轉變為尿嘧啶的活性，而且有意思的是，與其他的脫氨酶不同，這種作用可以直接在DNA雙螺旋上發生，不需要解旋。

Mougous當時就想到了只聞其名未曾謀面的同事劉如謙。劉如謙團隊之前開發的CRISPR單鹼基編輯器中就有用到過脫氨酶，或許DddA也能夠在相關的領域得到應用。

經過郵件溝通，兩個團隊一拍即合。

不過他們一致認為，就算用DddA再造新的CRISPR單鹼基編輯器，也不會比現有的技術有太多的優勢，所以研究者們一開始就瞄準了新的應用場景——線粒體DNA編輯。

對線粒體DNA的精準編輯是從來沒人實現過的，現在應用最廣泛的CRISPR技術面對線粒體DNA也是束手無策——線粒體沒有吸收RNA的機制，所以CRISPR技術關鍵的gRNA根本就進不去線粒體。

那麼其他的基因編輯技術呢？

2018年，《自然醫學》雜誌曾同期發表了兩篇論文，分別利用鋅指蛋白核酸酶技術（ZFNs）和轉錄激活樣因子核酸酶技術（TALENs）實現了對線粒體DNA突變的消除[2]。不過這兩項技術能做的，是將攜帶突變的線粒體DNA直接降解，其實應用起來難度很大。畢竟線粒體DNA的拷貝數如果太低，也會帶來疾病。

這樣一看，DddA的潛力還真是挺大。它本身是個蛋白，能夠進入線粒體，又可以直接對雙鏈DNA編輯，簡直非常值得研究一番。

DddA的三維構象

當然了，到這裡還只是剛剛有了一個思路，其實從DddA到最終的DdCBE，要解決的問題還有三個。

第一，不管怎麼說，胞苷脫氨酶對哺乳動物細胞來說是有生物毒性的。為了避免這種毒性，研究者們想出的辦法是把DddA一拆兩半，兩個沒有活性的部分在編輯位點重組恢復脫氨活性。不知道研究者們是不是從ZFN和TALEN中獲得的靈感呢。

TALE能夠識別特定的DNA序列，將設計好的TALE蛋白與半個DddA相連，這樣DddA們就能夠在編輯位點重逢了。

第二，怎麼讓組合好的DddA進入線粒體呢？這個問題倒是不難解決，在ZFN和TALEN中也有答案，加上線粒體靶向信號（MTS）蛋白序列，就能夠利用線粒體的蛋白質吸收機制穿過線粒體的雙層膜了。

第三，DddA作為一種胞苷脫氨酶，它能夠做的是將胞嘧啶（C）脫氨變為尿嘧啶（U），而U是RNA鹼基，出現在DNA中很容易被尿嘧啶-DNA糖基化酶切掉，又恢復成C。

為了保住DddA的作用不被幹擾，還要再加上尿嘧啶糖基化酶抑制劑（UGI），把U保住，等到下一輪DNA複製，它就可以和腺嘌呤（A）互補而不是和鳥嘌呤（G）互補。從實驗數據來看，加入UGI之後編輯效率提高了8倍。

至此為止，DddA衍生的胞嘧啶鹼基編輯器（DdCBE）才徹底完成了。簡單總結一下，這個DdCBE包含四個部分：進入線粒體的嚮導MTS、協助識別DNA靶點的TALE蛋白、編輯主力軍DddA（半個）以及UGI。

DdCBE結構

研究者嘗試編輯了幾個不同的線粒體基因，編輯效率大約在4.6%到49%之間，影響因素包括兩個半個DddA的方向、TALE蛋白設計、兩個亞基之間的間隔、靶點和TALE的相對結合位置等。

至於基因編輯中最受關注的脫靶效應，實驗數據給出的結論是對細胞核基因沒有脫靶，線粒體DNA脫靶效應很少，主要與TALE有關。

在HEK293T細胞中進行的實驗顯示，DdCBE的編輯活性能夠持續18天，其間對線粒體DNA的編輯沒有降低細胞存活率、沒有產生大的DNA片段缺失、也沒有影響DNA拷貝數。

理論上來說，DdCBE有希望解決目前一半的線粒體DNA突變，就算不能夠修正全部突變，只是減少有害突變拷貝的數量，對於線粒體疾病也是能夠起到治療效果的，可以說DdCBE是線粒體疾病基因療法的一大進步，同時也是研究線粒體基因組的有力工具。

參考資料：

[2] https://www.sciencemag.org/news/2018/09/zapping-mutant-dna-mitochondria-could-treat-major-class-genetic-disease

[4] https://www.sciencemag.org/news/2020/07/new-method-edit-cell-s-powerhouse-dna-could-help-study-variety-genetic-diseases

本文作者 | 代絲雨

相關焦點

  • 《自然》:重磅基因編輯工具誕生 填補最後一個角落
    本周，《自然》在線發表了關於基因編輯的一篇重要論文。來自華盛頓大學的Joseph Mougous教授與Broad研究所的劉如謙（David Liu）教授展開合作，開發出「第一款實現線粒體DNA精確編輯的分子工具」。這項研究成果一經發表迅速引起業內的點讚。《自然》《科學》等頂尖學術期刊都特地刊發新聞介紹。
  • 李湛:基因編輯技術與其帶來的醫學突破
    兩位科學家發現了CRISPR/Cas9基因編輯技術，基於此技術，研究人員能夠以極高精度改變動物、植物和微生物的DNA，對於生命科學研究產生突破性影響，並有望帶來醫學領域的重要突破。那麼，基因編輯技術究竟是什麼，將給醫學領域帶來哪些突破，基因編輯行業的發展現狀和投資機會又如何呢？
  • 基因編輯大牛劉如謙、張鋒聯合創立的單鹼基編輯公司衝刺IPO
    單鹼基編輯技術可以只重寫DNA上的一個鹼基，從而在最基礎的水平上進行幹預以治療多種疾病。如果把現有的基因編輯方法（CRISPR/Cas9）比作切割基因組的「剪刀」，那麼單鹼基編輯器就是「鉛筆」，可以一次擦除和重寫一個鹼基。
  • 科學史|基因編輯「三巨頭」
    雖然這只是一部迎合大眾口味的科幻電影，但是基因編輯技術確實存在，並且正在蓬勃興起。基因編輯技術是一種可以在基因組水平對DNA進行遺傳改造的操作技術，通過該技術能夠實現對特定DNA片段的敲除、插入。最初進行模式動植物實驗和首次臨床試驗的基因編輯技術是ZFNs。
  • DeepTech發布生命科學十大技術趨勢,基因編輯在列
    DeepTech方面認為，2019年生命科學領域會進入一個全新時代。在2019年，包括CRISPR基因編輯在內，合成生物學技術、單細胞多組學技術等前沿生物技術將繼續取得革命性突破，並進一步改變生命科學領域的遊戲規則，也改變我們生存的這個世界。全球生命科學及醫療健康領域市場規模日益龐大。
  • 不僅是DNA,基因編輯脫靶還會造成RNA突變!好在上海科學家讓單鹼基...
    圖說：楊輝研究員在實驗中 中科院腦科學與智能技術卓越創新中心供圖新民晚報訊（記者 郜陽）單鹼基基因編輯的編輯效果更精準，在應用過程中也更安全嗎？「導入CRISPR/Cas9後會導致其他基因的改變。由於該技術直接修改了生物基因組，因此具有遺傳效應，也帶來了潛在的巨大隱患。」與CRISPR/Cas9相比，單鹼基編輯能更精細地修改DNA。這對於基因突變導致的遺傳疾病的治療具有重大意義。
  • 基因編輯技術到底有多強大?
    基因編輯技術到底有多強大？、研究員張學勇表示,基因組編輯技術在農業領域前景廣闊,與物理或化學誘變育種相比.中山大學黃軍就博士和廣州醫科大學範勇博士的兩個團隊首次將CRISPR技術應用於人類胚胎的基因編輯,探索疾病的基因治療途徑。
  • 基因編輯技術新突破!科學家可以一次編輯多個基因組片段
    有人說，基因編輯就像一個 「潘多拉魔盒」，一旦打開，就很難合上了。事實證明，所有技術都是一把雙刃劍，基因編輯也同樣如此。它既能帶給我們難以預料的風險和倫理道德問題，也能幫助我們更好地認識人類本身。而且，對於疾病產生的原因以及抑制疾病的方法，基因編輯起著不可替代的作用。基因編輯研究的進展，一直是人們關注的重點。
  • 《自然》:重磅基因編輯工具誕生,它究竟牛在哪裡?
    ▎學術經緯/報導昨日，頂尖學術期刊《自然》在線發表了一篇關於基因編輯的重要論文。來自Broad研究所的CRISPR大牛劉如謙（David Liu）教授團隊開發了一種新型的基因編輯技術，有望修復大約89%的已知人類致病變異。
  • 陳根:基因編輯的技術審思,我們離基因編輯實用化還有多遠?
    但顯然，從基因編輯嬰兒誕生到現在，基因編輯技術仍面臨巨大風險與眾多不確定。「基因療法」如何實現？基因編輯技術的源頭可追溯到1866年奧地利學者孟德爾的豌豆雜交實驗，它帶動了遺傳學家摩爾根對遺傳因子的研究並賦予基因以物質的含義。
  • 新型鹼基編輯器首次在微生物中實現任意鹼基編輯
    作為基因組編輯前沿技術，無需產生DNA雙鏈斷裂，也無需供體DNA的參與，可實現靶位點的精準點突變，已成為基因編輯的重要研究方向。開發新型鹼基編輯技術實現鹼基顛換甚至任意鹼基變換，在合成生物體系構建、遺傳疾病的基因治療、生物性狀修飾等領域具有重要意義。
  • 高能生物課 | CRISPR技術是什麼,能編輯人類DNA和RNA?
    RNA結構圖日前，麻省理工學院腦認知科學系博士張峰在《科學》在雜誌發表的研究成果顯示，其團隊首次實現利用CRISPR進行RNA編輯。CRISPR利用的突破：從DNA編輯到RNA編輯從過去10年開始，科學家只能利用這個系統研發出進行DNA編輯的技術，典型的是依靠一個複合物，該複合物能在一段RNA（核糖核酸）指導下，定向尋找目標DNA序列，然後將該序列進行切除。簡答來說，就是手動輔助細胞免疫，從而進行癌症治療。
  • Science重磅:一種基因編輯技術,能瞬間實現精準基因編輯
    近日，一項刊登在國際雜誌Science上的研究報告中，來自約翰霍普金斯大學等機構的科學家們通過研究利用光敏核苷酸開發了一種新方法來加速CRISPR-Cas9基因編輯的過程，文章中，研究者描述了整個實驗過程及其這種新方法的精準性；在Science雜誌同一期的一篇展望文章中
  • 《科學》2018年十大科學突破:基因編輯嬰兒為「負面事件」
    導語：《科學》雜誌也將轟動一時的基因編輯嬰兒、全球氣候變暖以及巴西自然博物館焚毀評價為科學界的「負面事件」。
  • 重大突破!我國首例基因編輯治療重度地中海貧血患者治癒出院
    值得一提的是，這是亞洲首次通過基因編輯技術治療地中海貧血（簡稱：地貧），也是全世界首次通過CRISPR基因編輯技術治療β0/β0型重度地貧的成功案例（β0/β0純合子指β鏈完全不能合成，屬於重度地貧）。
  • 楊力研究員與合作者受邀發表基因編輯技術系統性綜述論文
    Science》上發表題為「A Tale of Two Moieties: Rapidly Evolving CRISPR/Cas-Based Genome Editing」的綜述論文，從全新的角度對CRISPR/Cas基因組編輯技術的創建和應用進行全面總結，並對該領域未來可能的發展方向進行了展望。
  • 獨家深度報告:基因編輯改寫人類的未來
    大量創新公司正在引領基因編輯治療產品的開發工作，並吸引了來自風險投資機構和製藥公司的大量投資。然而，我們也應該謹慎地看到，基因編輯產品成為常規療法之前，還需要解決定價和公共衛生政策等這些重大技術挑戰。 最近，在藥明康德「基因編輯專家獨家深度對話」系列中，我們邀請了全球基因編輯領域幾位領先的專家對這一激動人心的新技術進行了深入探討。
  • 基因編輯 修改「生命劇本」
    這是美國國內首次進行人類胚胎基因編輯，相關研究成果發表在《自然》雜誌上。這意味著，在治療遺傳疾病方面，人類又邁出一大步。 如修改Word文檔般編輯人類基因 在科幻電影中，「蜘蛛俠」被蜘蛛咬了一口後，DNA發生改變，運動能力突破人類極限，擁有了超強的力量和敏捷性。 「現實生活中，對人類遺傳缺陷基因的糾正同樣是科學家致力研究的方向。」
  • 基因編輯從實驗室到臨床的突破,一場與時間的賽跑
    這幾天有家名叫Editas Medicine的公司頻頻見諸中外各大醫療、財經媒體，它是CRISPR基因編輯領域全球首家IPO公司。Editas於近日宣布，將於2017年將CRISPR應用於治療萊伯先天性黑盲病（LCA）的臨床試驗，這在基因編輯領域屬全球首次。Editas的聯合創始人是美國MIT神經學家張峰，他因為在CRISPR技術的貢獻而被評選為《自然》2013年度十大科學人物。
  • 前瞻基因產業全球周報第42期:新基因編輯技術可修復89%遺傳缺陷
    新基因編輯技術可修復89%遺傳缺陷《自然》雜誌10月21日發布，美國Broad研究所開發出一種新型的基因編輯技術，有望修復大約89%的已知人類致病基因變異。這項被命名為「先導編輯」的技術，支持精準插入、精準刪除以及單個DNA字母的修改。研究人員表示，這項技術比傳統Cas9編輯技術效率更高，副產物更少，脫靶率更低。不過研究人員指出，由於「先導編輯」是一種新型基因組編輯方法，因此還需要開展進一步的研究來理解其效果，增強其功能 。