Nature发布革新性新技术：一种无需CRISPR的基因组编辑技术

　　“这项工作最有趣的方面是我们三个实验室有机地结合在一起。这不是因为有人告诉我们聚在一起做某事，而是因为科学引领了我们。”

　　

在过去的十年中，基因编辑已迅速普及，借助CRISPR-Cas9等相关技术，科学家可以比以前更轻松地对DNA进行有针对性的改变，然而尽管这些先进的工具可以在细胞核中起作用，而那些隐藏在细胞的某些部分的遗传信息仍然顽固地处于CRISPR无法达到的地方。

近日，一种新的无CRISPR的工具让这种基因编辑能力到达了细胞的第二个较小的基因组——线粒体中，这是线粒体DNA的第一个精确基因编辑器。

这一发现公布在Nature杂志上，由HHMI的Joseph Mougous，哈佛大学的David Liu和麻省总医院的Vamsi Mootha三个实验室完成。

到目前为止，研究线粒体疾病的科学家们只能通过破坏细胞器，来进行线粒体DNA研究。但是，他们不能纠正单个突变，同时保持其他线粒体基因的完整性。

Mootha表示，尽管这种新工具尚不能直接用于人类，但它将使科学家更容易研究动物中的这些疾病，以及基本的线粒体生物学。“这是这一领域的一种革新性技术。现在有可能创建线粒体DNA疾病的小鼠模型，在此之前，这一直是非常困难的。”

一种不寻常的蛋白质

两年前，Mougous实验室的博士后Marcos de Moraes在分析一种毒素工作原理的时候，发现结果与他预期不同，这种毒素是一种脱氨酶，一种可通过去除氮而引起基因突变的蛋白质。

大多数脱氨酶靶向天然的单链DNA或RNA单链。这种脱氨酶很奇怪，几个月以来，de Moraes均未成功分析该蛋白质。最后他决定尝试一些他没想到的工作：双链DNA。

脱氧核糖核酸通常被发现是双螺旋，但是“似乎脱氨酶仅作用于单链脱氧核糖核酸末端。”

而这种异常的脱氨酶让他们大吃一惊——能断裂双链DNA，de Moraes说，这可能是他科学生涯中最激动人心的时刻了。

De Moraes和他的同事花了几个月的时间来确认这一最初发现，然后，Mougous意识到实验室可能正研究对基因编辑有用的东西，因此联系了Liu。

新编辑技术

Liu的团队先前已经开发了几种精密的工具，用以编辑细胞核中的DNA，其中包括可以改变单个字母的“碱基编辑器”，但是线粒体的基因编辑还十分困难。

著名的CRISPR-Cas9系统依靠一小段“引导” RNA来引导Cas9酶到基因组中的特定位置，在此处它可以剪切DNA的两条链，Liu的团队的基本编辑技术使用了相同的方法。Liu说，因为没有人知道如何将引导RNA转运到线粒体中，所以无法编辑线粒体DNA。

Mougous的新分子令人兴奋，但它是天然存在的细菌毒素，而不是现成的基因编辑器。未经检查，它可能会破坏DNA的一切，因此科学家们必须找到一种方法来防止脱氨酶改变DNA，直到到达正确的位置。

解决方案是：将蛋白质分成两个无害的部分，研究人员依照3D成像数据将蛋白质分为两个部分，他们将每个脱氨酶的一半融合到不需要引导RNA的可定制DNA靶向蛋白上，这些蛋白与特定的DNA片段结合，将两半结合在一起，从而使脱氨酶恢复功能，并作为一种蛋白质发挥作用。

Liu的团队使用这项技术对特定的线粒体基因进行了精确的改变，之后专注于线粒体生物学的Mootha实验室进行了测试，查看这些编辑是否具有预期的效果。

Mootha说：“您可以想象，如果将编辑工具引入线粒体中，可能会造成某种灾难。但是结果表明它非常精确。”整个线粒体功能良好。

刘说：“这项工作最有趣的方面是我们三个实验室有机地结合在一起。这不是因为有人告诉我们聚在一起做某事，而是因为科学引领了我们。”

（生物通）

原文标题：

Beverly Y. Mok et al. "An interbacterial cytidine deaminase toxin enables mitochondrial base editing." Nature. Published online July 8, 2020.