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Nature重大进展!开发高效的线粒体DNA碱基编辑器!

来源:本站原创 2020-07-14 07:27

2020年7月14日讯 /生物谷BIOON /——在一项近日发表在Nature上的突破性研究(A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing)中,研究人员将利剑打成犁,将一种细菌毒素转化为一种基因组编辑工具,这是第一次可以对细胞的"发电厂"线粒体中的DNA进行精确的改变。该工具在人体细胞的实验室实验中发挥了作用,它可能开启一扇新的研究之门--以及未来数十种难以治疗的由线粒体DNA (mtDNA)突变引起的疾病的新疗法。这些罕见的疾病,包括Leber遗传性视神经病变和致命的婴儿心肌病,总发病率约为1 / 4000。到目前为止,对这些疾病的研究一直受到阻碍,部分原因是没有办法在小鼠品系中复制这种突变。

南加州大学的医学遗传学家Joseph Hacia说,新的DNA编辑器"非常具有创新性和开拓性"。"它很有可能在老鼠身上起作用,我希望它将来会有治疗意义。"

图片来源:ANGELA GAO

成千上万的线粒体存在于大多数人类细胞中,每个线粒体都有自己的基因,这些线粒体可能是由细菌进化而来。研究人员在纠正导致线粒体疾病的基因缺陷方面几乎没有取得什么进展,其中许多疾病是由"点突变"引起的。在这种突变中,一个单一的DNA碱基--腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶或鸟嘌呤--被一个破坏所需蛋白质或损害活性的碱基所取代。线粒体基因编辑面临的一个困难是,最著名的基因组编辑器CRISPR的一个关键组件太大,导致无法进入线粒体;而其他能够达到mtDNA的基因组编辑器却无法精确地纠正点突变。

这项新研究中开发的这一新工具结合了CRISPR的特点和一种叫做转录激活子样效应子(TALEs)的老技术,三个团队合力创建了这个新工具。"让这个项目如此有趣并最终成功的原因是三个实验室有机地聚在一起,而正是科学让我们聚在一起。"Broad研究所研究员、该研究通讯作者David Liu说道。

合作的第一步是Marcos de Moraes的一项发现,他在华盛顿大学西雅图分校的微生物学家Joseph Mougous的实验室工作。该团队研究了在资源稀缺的情况下,细菌如何分泌毒素来杀死其他细菌。2018年,de Moraes偶然发现了一种细菌毒素,它有助于催化胞嘧啶转化为尿嘧啶。(这种碱基在RNA中是正常的,但在DNA中它会自然地转化为胸腺嘧啶。)更重要的是,毒素在DNA双螺旋的两条链上产生了这种以前从未见过的突变。

Mougous和Liu一样是霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的研究员,但与David Liu并不熟悉。尽管如此, Mougous仍然发邮件给Liu问他是否有兴趣合作,因为Liu的实验室以前开发了胞嘧啶和嘌呤基编辑技术,这种技术使用一个类似的酶催化剂--一种被称为脱氨酶的酶与CRISPR技术的两个组件结合在一起使用。这些脱氨酶只对单链DNA起作用。CRISPR二人组包括一条RNA链,它帮助解开双螺旋结构,并将脱氨酶运送到单链上的精确目标。但是这种引导RNA (gRNA)不能进入线粒体。

Mougous说,这两个小组从一开始就认识到,新的碱基编辑器与Liu的团队开发的编辑器相比没有明显的优势。"这促使我们寻找它的有利市场。"事实证明这项发现最终改变了mtDNA。研究线粒体功能障碍的Broad研究所专家、HHMI的另一位研究员Vamsi Mootha也加入了合作。"我在这个领域已经25年了,这是我们第一次能够[操纵细胞],瞧,几天后,你就编辑到了线粒体DNA。"

TALE和另一种早于CRISPR的基因组编辑器锌指核酸酶都可以切断线粒体的双链DNA,并破坏它们。这有助于治疗一些线粒体疾病,但不能纠正mtDNA点突变。为了制造出一种更精细的工具,刘实验室的研究生Beverly Mok将Mougous实验室的毒素衍生脱氨酶附在一个TALE上,TALE是一种蛋白质,可以进入线粒体,像gRNA一样,引导复合物到达目标。

因为脱氨酶对线粒体是有毒的,研究人员把它分成两半,只有在mtDNA目标处才会结合在一起。"我们必须驯服这头野兽,"Liu说道。在对人类细胞的实验中,胞嘧啶转化为胸腺嘧啶的几率高达50%。重要的是,他们没有发现大量"偏离目标"的编辑,这可以避免基因编辑可能造成的严重伤害。

在哥伦比亚大学研究线粒体疾病的Michio Hirano没有参与这项工作,他说这是一个"非常聪明的"策略,"解决了线粒体领域的历史难题"。

在尝试创建人类线粒体疾病的细胞和小鼠模型的基础上,研究人员将寻找其他可以修改双链DNA的细菌脱氨酶。他们还希望提高编辑效率,减少偏离目标的基因编辑,以便mtDNA碱基编辑最终能在人体上进行测试。"我们认识到,要达到这个目标还有很长的路要走,"Liu教授说道。"现在我们有了蓝图,我希望这一领域的能量和资源将利用这些工具并继续改进它们。"(生物谷Bioon.com)

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