基因编辑技术 完成最后一块拼图

韩国基础科学研究所(IBS)基因组工程中心的研究人员开发了一种新的基因编辑平台，称为转录激活因子样效应相关脱氨酶(TALED)。TALED是一个碱基编辑器，能够在线粒体中进行从A到G的碱基转换。这一发现是数十年来治愈人类遗传疾病漫长旅程的结晶，TALED也被认为是基因编辑技术中最后一块缺失的拼图。研究成果发表在最新一期《细胞》杂志上。

“基因剪刀”的魔力与弊端

从1968年发现第一个限制酶，到1985年发明聚合酶链式反应，再到2013年展示CRISPR介导的基因组编辑，生物技术的每一次新突破都进一步提高了操纵DNA的能力。特别是，新开发的CRISPR-Cas系统(“基因剪刀”)允许对活细胞进行全面的基因组编辑。这为通过编辑人类基因组中的突变来治疗以前无法治愈的遗传疾病开辟了新的可能性。

虽然基因编辑在细胞的核基因组上取得了巨大成功，但是科学家用自己的基因组编辑线粒体并不成功。线粒体，即所谓的“细胞的动力室”，是细胞中微小的细胞器，充当着产生能量的工厂。因为它是能量代谢的重要细胞器，如果基因发生突变，会导致与能量代谢相关的严重遗传疾病。

韩国IBS基因组工程中心主任金镇秀解释说：“由于线粒体DNA缺陷，一些非常严重的遗传疾病已经出现。比如导致双眼突然失明的莱伯遗传性视神经病变，就是由线粒体DNA的简单单点突变引起的。”另一种线粒体基因相关疾病包括线粒体脑肌病，伴有乳酸酸中毒和中风样发作，慢慢损害患者的大脑。一些研究甚至表明，线粒体DNA异常也可能是阿尔茨海默病和肌肉萎缩等退行性疾病的原因。

线粒体DNA可以被编辑

线粒体遗传自母系。线粒体DNA有90个已知的致病点突变，每5000人中至少有1人受到影响。由于向线粒体递送方法的限制，许多现有的基因组编辑工具无法使用。比如CRISPR—Cas平台就不适合编辑线粒体的这些突变，因为引导RNA本身无法进入细胞器。

“另一个问题是缺乏这些线粒体疾病的动物模型。这是因为目前不可能设计出创建动物模型所需的线粒体突变。”金镇秀补充说，“缺乏动物模型使得开发和测试这些疾病的治疗方法非常困难。”

因此，可靠的线粒体DNA编辑技术是基因组工程的前沿领域之一。为了征服所有已知的遗传疾病，必须探索这一前沿领域。多年来，世界上最优秀的科学家一直在努力使之成为现实。

2020年，哈佛大学博德研究所和麻省理工学院刘如谦领导的研究团队创造了一种新的碱基编辑器，名为DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器，可以从线粒体中的DNA进行C到T的转换。这是通过创建一种称为碱基编辑的新基因编辑技术来实现的，这种技术可以在不破坏DNA的情况下，将单个核苷酸碱基转换为另一个碱基。然而，这项技术有其局限性。它不仅仅限于C到T的转换，而且主要限于TC基序，使其成为有效的TC-TT转换器。这意味着它只能纠正90个确诊的致病线粒体点突变中的9个，也就是10%。长期以来，线粒体DNA的A-G转换被认为是不可能的。

该研究的第一作者赵兴义说：“我们开始思考克服这些局限性的方法。因此，我们创建了一个新的基因编辑平台，名为TALED，可以实现从A到g的转换，我们的新碱基编辑器大大扩展了线粒体基因组编辑的范围。这不仅可以为疾病模型的建立做出巨大贡献，也可以为治疗方法的发展做出巨大贡献。值得注意的是，它在人类mtDNA中转化A为G的能力可以纠正90个已知致病突变中的39个，约占43%。”

研究人员通过融合三种不同的成分创造了TALED。第一个成分是转录激活因子样效应子，它可以靶向DNA序列。第二种成分是TadA8e，一种用于促进A转化为g的腺嘌呤脱氨酶。第三种成分DddAtox，是一种胞嘧啶脱氨酶，使DNA更容易被TadA8e获得。

TALED的一个有趣的方面是TadA8e能够在双链DNA的线粒体中进行A到G的编辑。这是一个神秘的现象，因为TadA8e是一种已知只对单链DNA特异的蛋白质。金珍秀说：“以前没有人想过用TadA8e在线粒体中进行碱基编辑，因为它应该只对单链DNA有特异性。正是这种打破常规的思维方式真正帮助我们发明了TALED。”

诺贝尔奖级别的成就

研究人员推测，DddA tox允许通过双链的瞬间解链来访问双链DNA。这个短暂的时间窗口允许TadA8e作为一种超快速作用的酶快速进行必要的编辑。除了调整TALED的组成成分，研究人员还开发了一种技术，可以同时编辑A到G和C到T碱基，只编辑A到G碱基。

研究小组通过创建一个包含所需mtDNA编辑的单细胞克隆来展示这一新技术。他们发现TALED在mtDNA既没有细胞毒性也不稳定。此外，在核DNA中没有不良脱靶编辑，在mtDNA中几乎没有脱靶效应。研究人员现在的目标是通过提高编辑效率和特异性来进一步改善TALED，最终为纠正胚胎、胎儿、新生儿或成年患者的致病性mtDNA突变铺平道路。研究团队还重点开发了TALED，它适用于叶绿体DNA中A到G的碱基编辑，叶绿体DNA编码植物光合作用中的必需基因。

基础科学研究所的科学传播者苏威廉称赞道：“我相信这一发现的意义堪比2014年获得诺贝尔奖的蓝色LED的发明。就像蓝色LED一样，我们也有节能的白色LED光源。最后一块拼图一样，预计TALED将迎来基因组工程的新时代。”记者 张梦然