線粒體(ti) DNA能編碼13種蛋白質，這些蛋白質都參與(yu) 到細胞的能量供應鏈中。而線粒體(ti) DNA突變可導致數十種至今無法治愈的代謝性疾病。開發可以精確糾正線粒體(ti) DNA的基因編輯工具，將為(wei) 治療這類疾病打開大門。

　　Leber遺傳(chuan) 性視神經病、線粒體(ti) 腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發作綜合征、神經性肌肉衰弱症，以及一些先天性心髒病……這些都是因線粒體(ti) 基因突變引起的常見遺傳(chuan) 疾病。目前，全球無數患者正在受著煎熬，卻沒法獲得有效治療。

　　人類遺傳(chuan) 物質除了大部分在細胞核內(nei) ，還有一小部分存在於(yu) 線粒體(ti) 中。現在科學家們(men) 已經將基因編輯技術用於(yu) 精準編輯細胞核內(nei) DNA，但如何對線粒體(ti) 內(nei) DNA進行精準編輯，一直無法取得突破。

　　不久前，《自然》雜誌發表了美國哈佛大學劉如謙（David Liu）團隊發表的一項最新成果，不但可實現對線粒體(ti) 基因組的精準編輯，而且幾乎沒有脫靶效應，這為(wei) 研究和治療線粒體(ti) 遺傳(chuan) 病帶來了前所未有的希望。

　　從(cong) 編輯基因序列到改變單個(ge) 堿基

　　此次劉如謙團隊的重大突破，在於(yu) 解答了成簇規律間隔短回文重複核酸酶（CRISPR）也沒法解決(jue) 的曆史遺留難題——對線粒體(ti) DNA的精準編輯。

　　線粒體(ti) 是細胞進行有氧呼吸的主要場所，是細胞能量生成和傳(chuan) 遞的主要細胞器，被稱為(wei) “能量工廠”。除了為(wei) 細胞提供能量外，線粒體(ti) 還參與(yu) 諸如細胞分化、細胞信息傳(chuan) 遞和細胞凋亡等過程，並擁有調控細胞生長和細胞周期的能力。

　　基因編輯是一種新興(xing) 的對特定目標基因進行修飾的基因工程技術，已經廣泛應用於(yu) 從(cong) 動物和植物的基因改造到人類的基因治療等生命科學諸多領域。

　　“早期的基因工程技術隻能將遺傳(chuan) 物質隨機插入宿主基因組，基因編輯則能定點改造想要編輯的基因。”蘇州博騰生物首席技術官孔令潔博士向科技日報記者介紹，基因編輯依賴於(yu) 經過基因工程改造的核酸酶，類似於(yu) 外科醫生的手術刀。“目前常用的基因編輯酶主要有鋅指核酸酶、轉錄激活樣效應因子核酸酶和成簇規律間隔短回文重複核酸酶。這些核酸酶能定點改造特定的DNA，對基因進行敲除、插入或替換。”

　　除了核酸酶外，劉如謙實驗室發明的堿基編輯酶，可利用一種細菌毒素DddA，將胞嘧啶轉化為(wei) 尿嘧啶，實現對線粒體(ti) 基因組的精準編輯，以更改基因組裏的單個(ge) 堿基。

　　相比於(yu) 一段一段地更改基因序列的常規基因編輯，這種堿基編輯技術可以在基因組上造成單個(ge) 堿基改變，把腺嘌呤（A）變成鳥嘌呤（G），把胞嘧啶（C）變成胸腺嘧啶（T）。“理論上堿基編輯可以改變基因組中的任何堿基，因此大大擴寬了基因編輯的範圍和靈活性。”孔令潔解釋說。

　　編輯線粒體(ti) DNA麵臨(lin) 兩(liang) 大難點

　　“線粒體(ti) 擁有自身的遺傳(chuan) 物質和遺傳(chuan) 體(ti) 係，和細胞核DNA相比，線粒體(ti) 隻編碼少數的基因，但這些基因對細胞功能至關(guan) 重要。”孔令潔說，線粒體(ti) DNA在發生突變後，容易喪(sang) 失製造三磷酸腺苷的能力，往往會(hui) 對神經係統和肌肉係統造成損傷(shang) ，引發母係遺傳(chuan) 的特定疾病。線粒體(ti) 肌病、多係統疾病、心肌病、進行性眼外肌麻痹等疾病就是這樣發生的。

　　目前治療一般是給予三磷酸腺苷、輔酶Q10和大量B族維生素等，但效果很不理想，且不能根治。線粒體(ti) 基因編輯技術可能成為(wei) 根治這類疾病的有效方法。

　　盡管近幾年基因編輯有了突飛猛進的發展，但是這些進步都是在細胞核DNA上進行的，線粒體(ti) DNA編輯一直麵臨(lin) 難以解決(jue) 的問題。對線粒體(ti) DNA的精準編輯是從(cong) 來沒人實現過的，現在應用最廣泛的CRISPR技術麵對線粒體(ti) DNA也是束手無策——線粒體(ti) 沒有吸收RNA的機製，所以讓CRISPR技術發揮作用的關(guan) 鍵成分向導RNA（gRNA）根本無法進入線粒體(ti) 。

　　“線粒體(ti) DNA之所以難以編輯，主要原因有兩(liang) 方麵：一是線粒體(ti) 是細胞中具有雙層膜結構的細胞器，線粒體(ti) DNA位於(yu) 線粒體(ti) 內(nei) 部，受到線粒體(ti) 雙層膜的保護，外源的基因編輯工具很難高效進入線粒體(ti) 內(nei) 部；另一方麵，線粒體(ti) DNA不同於(yu) 核基因組DNA，缺乏有效的DNA損傷(shang) 修複機製，一旦其受到雙鏈斷裂損傷(shang) 時，就會(hui) 被降解，而大多數基因編輯工具是利用DNA損傷(shang) 修複的原理進行編輯，因此在線粒體(ti) DNA上很難進行。”中國科學院昆明動物研究所副研究員畢蕊博士告訴記者。

　　孔令潔也認為(wei) ，一般細胞核基因有兩(liang) 個(ge) 拷貝，基因編輯相對容易，而線粒體(ti) 基因在一個(ge) 細胞中有許多拷貝，傳(chuan) 統的基因編輯技術依賴於(yu) 核酸酶，不能編輯線粒體(ti) 基因。

　　有助構建線粒體(ti) 疾病動物模型

　　DddA是一種細菌毒素，最初由華盛頓大學的微生物學家約瑟夫·穆格團隊中的一位博士後馬爾科斯·德莫雷斯發現。2018年，德莫雷斯發現DddA具有催化胞嘧啶脫氨轉變為(wei) 尿嘧啶的活性。而且有意思的是，與(yu) 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，因而不需要gRNA。

　　DddA本身是種蛋白質，能夠進入線粒體(ti) ，又可以直接對雙鏈DNA編輯。穆格當時就想到了隻聞其名未曾謀麵的同事劉如謙——因為(wei) 劉如謙團隊之前開發的CRISPR單堿基編輯器中就有用到過脫氨酶，或許DddA也能夠在相關(guan) 的領域得到應用。

　　DddA對哺乳動物細胞來說是有生物毒性的。為(wei) 了避免這種毒性，研究人員想出的辦法是把DddA一拆兩(liang) 半，變成兩(liang) 個(ge) 沒有活性的部分，進行編輯後讓兩(liang) 部分重組恢複脫氨活性；然後再將設計好的TALE蛋白與(yu) 半個(ge) DddA相連，這樣DddA們(men) 就能夠在編輯位點重逢了。

　　如何讓組合好的DddA進入線粒體(ti) ，倒是不難解決(jue) 。此前的一係列研究成果表明，可以利用線粒體(ti) 的蛋白質吸收機製，穿過線粒體(ti) 的雙層膜。DddA作為(wei) 一種胞苷脫氨酶，它能夠實現胞嘧啶、尿嘧啶轉換的一係列操作。

　　為(wei) 了使DddA的作用不被幹擾，研究團隊還要再加上尿嘧啶糖基化酶抑製劑，等到下一輪DNA複製，它就可以和腺嘌呤互補而不是和鳥嘌呤互補。從(cong) 實驗數據來看，加入抑製劑後，編輯效率提高了8倍。

　　動物疾病模型往往是藥物研發必需的工具。在該線粒體(ti) 基因編輯技術之前，由於(yu) 不能對線粒體(ti) 基因進行精準的改造，因而無法獲得相應的動物疾病模型，大大阻礙了線粒體(ti) 相關(guan) 疾病的藥物的研發。

　　“這一技術的應用，將使動物疾病模型建立成為(wei) 可能，加快藥物的研發。”孔令潔告訴記者，同時，隨著基因治療的發展，以此項技術為(wei) 基礎的基因治療藥物，可能成為(wei) 根治線粒體(ti) 疾病的有效方法。

　　“基因治療是有望治愈線粒體(ti) DNA突變導致的疾病的重要方法。”畢蕊說，隨著線粒體(ti) DNA編輯工具的發展，可以在局部病變組織中將突變的DNA修複成正常的野生型DNA，對局部組織進行基因編輯，既可以避免直接對胚胎基因編輯帶來的倫(lun) 理問題和安全性問題，又可以直接針對病灶組織進行快速高效的基因治療，惠及更多患者。

　　此前，劉如謙曾對《自然》雜誌表示，這項研究因還有其他問題需要研究，距離應用到臨(lin) 床還有很長的路要走。但短期來看，科學家們(men) 可通過利用該技術生成動物模型，來研究線粒體(ti) 突變的影響。