在過(guò)去的十年中，基因編輯已迅速普及，借助CRISPR-Cas9等相關(guān)技術(shù)，科學(xué)家可以比以前更輕松地對(duì)DNA進(jìn)行有針對(duì)性的改變，然而盡管這些先進(jìn)的工具可以在細(xì)胞核中起作用，而那些隱藏在細(xì)胞的某些部分的遺傳信息仍然頑固地處于CRISPR無(wú)法達(dá)到的地方。

近日，一種新的無(wú)CRISPR的工具讓這種基因編輯能力到達(dá)了細(xì)胞的第二個(gè)較小的基因組——線粒體中，這是線粒體DNA的第一個(gè)精確基因編輯器。

這一發(fā)現(xiàn)公布在Nature雜志上，由HHMI的Joseph Mougous，哈佛大學(xué)的David Liu和麻省總醫(yī)院的Vamsi Mootha三個(gè)實(shí)驗(yàn)室完成。

到目前為止，研究線粒體疾病的科學(xué)家們只能通過(guò)破壞細(xì)胞器，來(lái)進(jìn)行線粒體DNA研究。但是，他們不能糾正單個(gè)突變，同時(shí)保持其他線粒體基因的完整性。

Mootha表示，盡管這種新工具尚不能直接用于人類，但它將使科學(xué)家更容易研究動(dòng)物中的這些疾病，以及基本的線粒體生物學(xué)。“這是這一領(lǐng)域的一種革新性技術(shù)?，F(xiàn)在有可能創(chuàng)建線粒體DNA疾病的小鼠模型，在此之前，這一直是非常困難的。”

一種不尋常的蛋白質(zhì)

兩年前，Mougous實(shí)驗(yàn)室的博士后Marcos de Moraes在分析一種毒素工作原理的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與他預(yù)期不同，這種毒素是一種脫氨酶，一種可通過(guò)去除氮而引起基因突變的蛋白質(zhì)。

大多數(shù)脫氨酶靶向天然的單鏈DNA或RNA單鏈。這種脫氨酶很奇怪，幾個(gè)月以來(lái)，de Moraes均未成功分析該蛋白質(zhì)。后他決定嘗試一些他沒(méi)想到的工作：雙鏈DNA。

脫氧核糖核酸通常被發(fā)現(xiàn)是雙螺旋，但是“似乎脫氨酶僅作用于單鏈脫氧核糖核酸末端。”

而這種異常的脫氨酶讓他們大吃一驚——能斷裂雙鏈DNA，de Moraes說(shuō)，這可能是他科學(xué)生涯中激動(dòng)人心的時(shí)刻了。

De Moraes和他的同事花了幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)確認(rèn)這一初發(fā)現(xiàn)，然后，Mougous意識(shí)到實(shí)驗(yàn)室可能正研究對(duì)基因編輯有用的東西，因此聯(lián)-系了Liu。

新編輯技術(shù)

Liu的團(tuán)隊(duì)先前已經(jīng)開發(fā)了幾種精密的工具，用以編輯細(xì)胞核中的DNA，其中包括可以改變單個(gè)字母的“堿基編輯器”，但是線粒體的基因編輯還十分困難。

著名的CRISPR-Cas9系統(tǒng)依靠一小段“引導(dǎo)” RNA來(lái)引導(dǎo)Cas9酶到基因組中的特定位置，在此處它可以剪切DNA的兩條鏈，Liu的團(tuán)隊(duì)的基本編輯技術(shù)使用了相同的方法。Liu說(shuō)，因?yàn)闆](méi)有人知道如何將引導(dǎo)RNA轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中，所以無(wú)法編輯線粒體DNA。

Mougous的新分子令人興奮，但它是天然存在的細(xì)菌毒素，而不是現(xiàn)成的基因編輯器。未經(jīng)檢查，它可能會(huì)破壞DNA的一切，因此科學(xué)家們必須找到一種方法來(lái)防止脫氨酶改變DNA，直到到達(dá)正確的位置。

解決方案是：將蛋白質(zhì)分成兩個(gè)無(wú)害的部分，研究人員依照3D成像數(shù)據(jù)將蛋白質(zhì)分為兩個(gè)部分，他們將每個(gè)脫氨酶的一半融合到不需要引導(dǎo)RNA的可定制DNA靶向蛋白上，這些蛋白與特定的DNA-片段結(jié)合，將兩半結(jié)合在一起，從而使脫氨酶恢復(fù)功能，并作為一種蛋白質(zhì)發(fā)揮作用。

Liu的團(tuán)隊(duì)使用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)特定的線粒體基因進(jìn)行了精確的改變，之后專注于線粒體生物學(xué)的Mootha實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試，查看這些編輯是否具有預(yù)期的效果。

Mootha說(shuō)：“您可以想象，如果將編輯工具引入線粒體中，可能會(huì)造成某種災(zāi)難。但是結(jié)果表明它非常精確。”整個(gè)線粒體功能良好。

劉說(shuō)：“這項(xiàng)工作-有趣的方面是我們?nèi)齻€(gè)實(shí)驗(yàn)室有機(jī)地結(jié)合在一起。這不是因?yàn)橛腥烁嬖V我們聚在一起做某事，而是因?yàn)榭茖W(xué)了我們。”