兩篇論文證明：“老牌”基因編輯技術(shù)糾正小鼠的線粒體DNA突變

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作者：風(fēng)鈴來源：生物探索

2018-10-08

線粒體作為細(xì)胞能量的“供應(yīng)站”，有著獨(dú)立于細(xì)胞核的遺傳物質(zhì)——線粒體DNA(mtDNA)。mtDNA可能會(huì)攜帶導(dǎo)致疾病的突變并帶來毀滅性的結(jié)果，對此，基因編輯可能是一種補(bǔ)救的方法。近日，兩篇最新研究發(fā)現(xiàn)，在治療線粒體DNA突變上，被譽(yù)為具有潛在革命性醫(yī)療工具的基因編輯工具CRISPR似乎毫無用武之地。相比之下，“老牌”基因編輯工具TALENs和ZFNs或可以糾正小鼠體內(nèi)的線粒體DNA突變。

研究結(jié)果分別以 “Genome editing in mitochondria corrects a pathogenic mtDNA mutation in vivo”和“MitoTALEN reduces mutant mtDNA load and restores tRNAAla levels in a mouse model of heteroplasmic mtDNA mutation”為題發(fā)表在《Nature Medicine》雜志上。

研究表明，轉(zhuǎn)錄激活子樣效應(yīng)核酸酶（TALENs）和鋅指核酸酶（ZFNs）這兩種“老牌”的基因編輯工具可以大幅減少線粒體疾病小鼠體內(nèi)有缺陷的mtDNA的數(shù)量，從而抵消這種突變的影響。這一原理驗(yàn)證結(jié)果或?yàn)榫€粒體疾病的首次治療開辟了道路。

線粒體DNA (mtDNA)致病突變導(dǎo)致的遺傳病每5000個(gè)成年人中就有1個(gè)患有，疾病癥狀從肌肉無力到心臟病不等。“如果將所有線粒體疾病結(jié)合起來，它們是人類遺傳病最常見的原因之一，”領(lǐng)導(dǎo)其中一個(gè)研究小組的英國劍橋大學(xué)的分子生物學(xué)家Michal Minczuk說道。

備受爭議的“三親嬰兒”方法可以保護(hù)兒童免受線粒體疾病的遺傳，它涉及到用健康捐贈(zèng)者的線粒體替換母體卵子中有缺陷的線粒體。但研究人員還沒有發(fā)現(xiàn)任何針對有mtDNA遺傳有缺陷患者的治療方法。只要用基因編輯技術(shù)剪斷突變的mtDNA，線粒體就會(huì)摧毀被切斷的分子。此外，潛在的治療可能不需要消除體內(nèi)無數(shù)線粒體中所有有缺陷的mtDNA。領(lǐng)導(dǎo)另一個(gè)研究小組的佛羅里達(dá)邁阿密大學(xué)米勒醫(yī)學(xué)院的線粒體生物學(xué)家Carlos Moraes指出，線粒體疾病患者的mtDNA拷貝中包含有害突變和無害突變，這兩個(gè)變種之間的比例必須在癥狀出現(xiàn)之前達(dá)到一定的水平。“如果能把這個(gè)比例降低到閾值以下，臨床表現(xiàn)可能就會(huì)消失。”

CRISPR基因編輯技術(shù)在編輯核DNA中發(fā)現(xiàn)的突變方面取得了快速進(jìn)展，但研究人員難以將同樣的技術(shù)應(yīng)用于mtDNA，因?yàn)榫€粒體似乎不具備引導(dǎo)RNA的能力，無法讓該工具按照正確的序列定位。

因此，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)使用了另外兩種“老牌”編輯方法——鋅指核酸酶(ZFNs)和轉(zhuǎn)錄激活器樣效應(yīng)核酸酶(TALENs)。雖然這些系統(tǒng)比CRISPR更麻煩且功能更少，但它們也可以在特定位置切片DNA。

邁阿密大學(xué)——TALENs編輯系統(tǒng)

兩組研究人員利用無害的病毒載體，將DNA編輯蛋白的基因轉(zhuǎn)移到突變小鼠的細(xì)胞中。在這種菌株中，一些mtDNA拷貝在一種轉(zhuǎn)移RNA (tRNA)的基因編碼中有突變，這種RNA有助于組裝線粒體蛋白。這些動(dòng)物的tRNA變種比正常少，盡管它們只會(huì)形成一種微妙的癥狀，即輕微的心臟異常。

在邁阿密大學(xué)的研究中，Moraes和他的同事Sandra Bacman，以及他們的團(tuán)隊(duì)將攜帶TALENs基因的病毒注射到每只動(dòng)物右腿的肌肉中。作為對照，他們將缺少TALENs基因的病毒注射到左側(cè)的同一塊肌肉中。6個(gè)月后，接受TALENs治療的肌肉中突變線粒體DNA數(shù)量減少了50%以上，受損DNA與正常DNA的比例低于通常會(huì)引起癥狀的50:50的閾值。

劍橋大學(xué)——ZFNs編輯系統(tǒng)

在劍橋大學(xué)的研究中，Minczuk和他的博士后Payam Gammage以及他的同事們按同樣的思路設(shè)計(jì)了ZFNs，并將攜帶病毒的載體注入小鼠的尾靜脈。病毒載體一旦進(jìn)入血液，就會(huì)進(jìn)入心臟，而心臟也隱藏著有缺陷的mtDNA。65天后，當(dāng)研究人員分析這些動(dòng)物的心臟組織時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)突變線粒體DNA的比例要低40%左右。

由于輕微的心臟異常很難被記錄下來，研究人員使用分子指標(biāo)來衡量治療的成功程度。兩組均確定突變小鼠中缺乏的tRNA水平在基因治療后飆升。Minczuk的團(tuán)隊(duì)還測量了一些代謝分子，這些分子表明動(dòng)物的線粒體工作得更好。

計(jì)劃人體試驗(yàn)

研究人員一致認(rèn)為，要在人體中應(yīng)用該策略，他們必須確保TALEN和ZFN的基因以正確的量到達(dá)正確的組織。兩個(gè)研究小組都表示計(jì)劃進(jìn)行人體安全性臨床試驗(yàn)。

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