《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

2021-01-15 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

  • 科學網—植物線粒體DNA實現首次編輯
    ，葉綠體DNA於1988年首次編輯，動物線粒體DNA於2008年編輯。然而，植物線粒體DNA之前卻沒有被成功編輯過。直到近日，日本的研究人員首次成功編輯了植物線粒體DNA，這可能會帶來更安全的食物供應。 領導這項研究的東京大學分子植物遺傳學家、助理教授Shin-ichi Arimura開玩笑地說：「當看到水稻植株『更有禮貌』時，我們知道自己取得了成功。因為它深深地鞠了一躬，穗多的水稻才會出現這樣的彎曲。」
  • 科學家首次實現線粒體精準基因編輯
    線粒體疾病研究將開啟一個新的時代。Liu）和華盛頓大學醫學院微生物學家Joseph Mougous領導的研究團隊合作開發了不依賴CRISPR系統的新型鹼基編輯器（DdCBE），首次實現對線粒體基因組（mtDNA）的精準編輯。線粒體被稱為細胞的「能量工廠」，線粒體基因突變疾病通常由母系遺傳，損害了細胞產生能量的能力。
  • 劉如謙團隊首次實現線粒體精準基因編輯,無需CRISPR系統
    強大的CRISPR技術對線粒體基因組束手無策的原因主要有兩點：線粒體基因組相對較小，人的mtDNA僅為16569bp，缺少足夠的CRISPR可編輯位點。此外，CRISPR基因編輯必須依賴gRNA才能發揮作用，而目前並無有效方法將外源RNA高效導入線粒體內。
  • 精準基因編輯技術的研究進展
    自2012年，CRISPR/Cas9基因組編輯系統被首次發現之後，國內外的研究者對於其優化升級和應用一直沒有停息過——為了獲得一種更精準、更便捷和更經濟的基因組編輯工具而不斷探索和實踐。我們都知道，CRISPR/Cas9基因編輯技術的工作原理是Cas9蛋白切割目標基因形成雙鏈缺口，然後進行目的修復，從而達到修改基因片段的目的。但是這種修復帶有不確定性，引入隨機的插入和缺失。
  • 重大突破！動植物中的線粒體基因編輯進展
    線粒體疾病治療之體外受精技術線粒體疾病治療之基因編輯儘管距離醫學應用還很遙遠，但通過該技術可開發動物疾病模型，用以研究線粒體突變疾病，確認突變對疾病的影響，並針對相應通路篩選出藥物。這也只是個開始，未來一定還會出現更多的mtDNA精準編輯系統。另外，不放上MTS導肽，這套編輯系統用於細胞核基因編輯也是妥妥的呀...
  • ...因病毒性角膜炎失明,上海專家獲基因編輯重大突破刊於頂級期刊
    就在近日，上海交通大學系統生物醫學研究院蔡宇伽教授、 復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院洪佳旭副主任醫師通力合作在基因編輯治療領域取得重大突破。相關成果和操作技術在國際頂尖學術期刊《自然-生物醫學工程》、《自然-生物技術》發表。據悉，HSV根據抗原特性不同可分為HSV-1、HSV-2兩種血清型。HSV-1的感染可引起多種疾病。
  • 橫空出世 一類新的編輯器誕生 David Liu首次對線粒體DNA進行編輯
    此類蛋白質的成員已發現在基因編輯技術中的應用。由於先前描述的胞苷脫氨基酶在單鏈核酸上作用，因此它們在鹼基編輯中的使用要求解開雙鏈DNA（dsDNA），例如通過CRISPR–Cas9系統。迄今為止，線粒體DNA（mtDNA）中的鹼基編輯受到與引導RNA進入線粒體相關的挑戰的阻礙。2020年7月8日，博德研究所David R. Liu及華盛頓大學醫學院Joseph D.
  • 橫空出世 一類新的編輯器誕生 David Liu首次對線粒體DNA進行編輯
    此類蛋白質的成員已發現在基因編輯技術中的應用。由於先前描述的胞苷脫氨基酶在單鏈核酸上作用，因此它們在鹼基編輯中的使用要求解開雙鏈DNA（dsDNA），例如通過CRISPR–Cas9系統。迄今為止，線粒體DNA（mtDNA）中的鹼基編輯受到與引導RNA進入線粒體相關的挑戰的阻礙。2020年7月8日，博德研究所David R. Liu及華盛頓大學醫學院Joseph D.
  • 基因治療「從0到1」實現創新突破!全新療法破解基因編輯遞送瓶頸
    他們率先發明了基因治療遞送載體，融合了基因編輯和遞送技術。該項被命名為HELP的治療技術，在通過切割病毒的基因組、使其降解的同時，還可以清除三叉神經節內潛伏的病毒，從而根治病毒性角膜炎。HELP的工作原理及其生產過程HELP在病毒感染的治療模型上的治療效果展示中華醫學會眼科分會角膜病學組組長、山東省眼科醫院院長史偉雲教授認為，該項技術為病毒性角膜炎的根治提供了新的解決思路。洪佳旭接受採訪時告訴記者，目前，治療病毒性角膜炎的傳統藥物，如阿昔洛韋等，或者角膜移植，都只能暫時抑制皰疹病毒，但不能從體內清除病毒基因組。
  • 我國科學家發明「第四代」基因編輯技術
    &nbsp&nbsp&nbsp&nbsp前段時間，一篇刊發在世界頂級學術刊物《自然·生物技術》上的論文，引起全球生命科學界的關注。它是由河北科技大學副教授韓春雨團隊，發明的一種全新基因編輯技術，這將有可能精準改造大部分生物的基因，被譽為世界級的重大突破。
  • 2020年基因編輯技術最新研究進展
    首次開發線粒體基因編輯工具！繼「單鹼基編輯法」和「先導編輯」這兩大基因編輯技術突破後，全球基因編輯領域的頂尖學者，麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所的化學生物學家劉如謙（David R.該研究使用首個不依賴CRISPER鹼基編輯器——DdCBE，實現了對線粒體基因組的精準編輯，這是前所未有的研究和治療線粒體遺傳病的工具。除了試圖創建人類線粒體疾病的細胞和小鼠模型外，研究人員還將尋找其他可以修飾雙鏈DNA的細菌脫氨酶。他們還希望提高編輯效率並減少脫靶編輯，以便最終可以在人類中測試mtDNA基礎編輯。該研究於7月8日發表在《自然》雜誌。
  • CRISPR編輯系統升級 利用「跳躍基因」精確插入DNA片段
    頂尖學術期刊《科學》最新上線發表的一篇論文中，Broad研究所、麻省理工學院McGovern腦研究所的張鋒教授與其同事帶來了一款全新的CRISPR基因編輯工具，利用「跳躍基因」，讓DNA片段插入基因組變得更加容易。大腸桿菌中的實驗結果顯示成功率達到80%，遠高於經典CRISPR系統。
  • 基因編輯治療領域取得重大突破 病毒性角膜炎復發這一臨床難題有望...
    央廣網上海1月12日消息（記者楊靜）復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院今天（12日）透露，通過上海交通大學系統生物醫學研究院蔡宇伽教授和復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院洪佳旭副主任醫師的通力合作，在基因編輯治療領域取得重大突破，相關成果和操作技術在國際頂尖學術期刊《自然-生物醫學 和《自然-生物技術》雜誌上接連發表
  • 劉如謙團隊再作創舉:首次開發線粒體基因編輯工具 ​
    而這對雙胞胎，因利用CRISPER技術修改過體內一個基因CCR5，出生後即能天然抵抗愛滋病。  且不論道德方面，這樣的技術確實可以為人類的遺傳性疾病打開一扇窗。那麼，這類難治性疾病是否可以拋除CRISPER技術，採用新的基因編輯工具進行治療呢？  作為全球基因編輯領域的頂尖學者，麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所的化學生物學家劉如謙（David R.
  • 2015年基因編輯技術重大成果:首次修改人類胚胎基因
    中國日報網12月30日電（蔡東海）基因編輯是2015年被廣為談論的一個話題，特別是基於CRISPR/Cas9的基因編輯技術，打開了基因缺陷治療和預防疾病蔓延的大門。從老鼠到人類胚胎，科學家已經進行廣泛的試驗。美國財經科技網站商業內幕網（Business Insider）12月28日評出2015年度基因編輯技術重大科技成果。
  • 【盤點】2020年基因編輯技術最新研究進展
    首次開發線粒體基因編輯工具！繼「單鹼基編輯法」和「先導編輯」這兩大基因編輯技術突破後，全球基因編輯領域的頂尖學者，麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所的化學生物學家劉如謙（David R. Liu）團隊發現，一種細菌毒素，DddA，可以將胞嘧啶（C）轉化為尿嘧啶（U）。DddA可直接作用於雙鏈DNA，無需依靠Cas9酶來進行破壞。
  • 全新檢測基因編輯工具脫靶技術問世
    全新檢測基因編輯工具脫靶技術問世 2019-03-08 09:13）中科院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心楊輝研究組與中科院馬普計算生物學研究所、中國農科院深圳農業基因組研究所及美國史丹福大學團隊合作，於近日開發出一種全新的檢測基因編輯工具脫靶技術。
  • 陳其軍/高彩霞合作利用引導編輯技術對玉米基因組進行精準編輯
    Genome Biology | 陳其軍/高彩霞合作利用引導編輯技術對玉米基因組進行精準編輯來源 | Genome Biology該研究首次報導了利用引導編輯技術（prime editing）對玉米基因組進行精準編輯的研究。
  • 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？
  • 中國專家學者取得基因編輯治療研究創新突破
    復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院供圖中國專家學者取得基因編輯治療研究創新突破 病毒性角膜炎患者有望重獲光明中新網上海1月12日電 (記者 陳靜)病毒性角膜炎是受病毒致病原感染角膜而引起的炎症，該病癒後易復發，並成為導致感染性失明的主要原因。該病既無疫苗可用，也無藥物可根治的現狀困擾著醫生和患者。