Cell：消除脱靶性，实现精准的线粒体碱基编辑

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

线粒体（mitochondrion）是细胞的“能量工厂”，线粒体内有一套独立于细胞核的遗传物质——线粒体DNA（mtDNA），人类线粒体DNA的长度为16569bp，拥有37个基因，编码13种蛋白，这些蛋白都参与细胞的能量代谢。 

由于线粒体在能量稳态中的重要作用，线粒体DNA中的点突变就可导致发育障碍、神经肌肉疾病、癌症进展等等多种严重疾病，据估计，大约每5000人中就有1人患有线粒体疾病。 基于CRISPR的基因编辑技术在对细胞核的基因编辑中取得了前所未有的成功，但其对线粒体基因组却无能为力，这极大地限制了对线粒体遗传病的研究和治疗。 

2020年7月，Broad研究所 刘如谦 （David Liu） 团队在 Nature 发表论文 【1】 ，开发了一种不依赖CRISPR的碱基编辑器——DdCBE，能够实现对人类线粒体DNA的C-to-T的碱基编辑，为研究和治疗线粒体疾病带来了全新工具。 

此后，刘如谦团队对线粒体碱基编辑工具进行了一系列升级和扩展。 

2022年4月，韩国基础科学研究院金镇秀（Jin-Soo Kim）团队在 Cell 发表论文【2】，开发了基于转录激活因子样效应物连接的脱氨酶（TALED）的线粒体碱基编辑器，实现了对人类线粒体DNA的 A-to-G 的碱基编辑，为基因编辑补上了最后一块缺失的拼图。 

2024年1月4日，金镇秀（Jin-Soo Kim）团队在 Cell 发表了题为 ：Engineering TALE-linked deaminases to facilitate precision adenine base editing in mitochondrial DNA  的研究论文【3】。 

该研究开发了具有微调脱氨酶活性的TALED突变体，能够对线粒体DNA进行精确的碱基编辑，没有可检测到的脱靶编辑，可用于创建线粒体遗传疾病小鼠模型。

刘如谦 团队开发的 DdCBE能够实现对人类线粒体DNA的C-to-T碱基编辑，金镇秀团队开发的TALED能够实现对人类线粒体DNA的A-to-G碱基编辑。 然而，左二伟、杨辉、胥春龙、章美玲等人在 Cell Discovery 期刊发表论文 【4】 ，该研究显示，DdCBE在对线粒体DNA编辑时，对细胞核DNA产生了显著的脱靶编辑，这提示了其在医学应用上存在着安全风险。 在这项发表于 Cell 的最新研究中，金镇秀团队发现，TALED在进行线粒体DNA编辑时，会在人类细胞中诱导转录组水平的脱靶编辑，导致超过10000个RNA脱靶编辑。 为了避免这些不必要的RNA脱靶编辑，研究团队对TALED中的脱氧腺嘌呤脱氨酶TadA8e的底物结合位点进行了工程改造，并创建了具有精细调节脱氨酶活性的TALED突变体。这一重新设计的TALED突变体不仅将RNA脱靶编辑减少了超过99%，而且还最小化了对线粒体DNA目标位点的脱靶编辑和旁观者编辑。与野生型版本不同，TALED突变体不具有细胞毒性，也没有引起小鼠胚胎发育停滞。 最后，研究团队使用这一优化的线粒体碱基编辑器对小鼠胚胎进行了致病性线粒体DNA编辑，并成功获得了线粒体基因突变小鼠模型，在细胞核基因组中与编辑的线粒体基因组具有高序列同源性的共18个候选位点未检测到脱靶突变，高通量线粒体全基因组测序同样未检测到脱靶突变。

总的来说，该研究开发的具有微调脱氨酶活性的TALED突变体能够对线粒体DNA进行精确的碱基编辑，没有可检测到的脱靶编辑，可用于创建线粒体遗传疾病小鼠模型。 

论文链接： 

1. 1.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2477-4

2. 2.https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00389-0

3. 3. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01321-1

4. https://www.nature.com/articles/s41421-022-00391-5

打赏