线粒体碱基编辑器实现小鼠体内mtDNA编辑，未来或可代替“三亲婴儿”疗法

线粒体的遗传物质发生突变同样会带来遗传性疾病，例如已知的线粒体肌病、母系遗传Leigh综合征、Leber遗传性视神经病、共济失调舞蹈病、骨骼肌溶解症等几十种遗传疾病。这些疾病在很大程度上无法治愈，且通常是致命的疾病。据统计，大约5000人中就有1个人深受线粒体疾病的折磨。

针对线粒体疾病，目前没有可以治愈的治疗方法。值得一提的是，线粒体疾病是一种母系遗传疾病，线粒体几乎全部由母亲传递给子女。当母亲确诊mtDNA突变时，一种被认为是最根本的治疗方法就是纠正卵细胞，即“三亲婴儿”，胚胎的DNA来自三个人：父亲提供精子、母亲提供卵细胞核、女性捐赠者提供去除细胞核的卵细胞。2015年，英国成为第一个批准合法实施“三亲婴儿”技术的国家;2016年，华人医学博士张进缔造了全球第一例“三亲婴儿”。

除此之外，科学家们还在研究针对线粒体疾病的基因治疗。

谈起基因治疗，就离不开基因编辑工具。传统的三大基因编辑技术CRISPRCas9、TALEN和ZFN主要作用于细胞核中的基因，对于线粒体中基因的编辑存在着很大的问题。CRISPR Cas9系统一般包括一段人工合成的Guide RNA和cas9酶，而RNA不能进入线粒体，因此，CRISPR Cas9技术不能对线粒体基因进行编辑。

目前改造线粒体DNA的方法主要是利用无RNA系统的核酸酶。

转录激活因子样效应物核酸酶系统和锌指核酸酶系统都是通过识别特定的DNA序列进行工作的，因此可以进入线粒体发挥基因编辑的作用，但是这两种技术存在一个缺陷就是，它们都是通过将携带的突变mtDNA直接降解来消除突变的。这会使得mtDNA拷贝数降低，而mtDNA拷贝数的降低可能会在实际疾病治疗中带来更多的风险。

基于以上原因，一种专门用于线粒体的碱基编辑工具的开发迫在眉睫。

世界第一例“三亲婴儿”

2020年7月，基因编辑领域知名科学家、哈佛大学和Broad研究所教授David Liu的团队在《自然》上发表了关于线粒体基因编辑技术的最新研究进展，开发出了首个“线粒体DNA精确编辑的分子工具”。

线粒体碱基编辑器DdCBE的建立，是基于细菌毒素DddA的发现。

在研究细菌如何利用毒素互相攻击时，科学家发现一种对单链DNA （ssDNA）没有效果的脱氨酶，它可以直接作用于双链DNA （dsDNA），将其中的胞嘧啶（C）转变成尿嘧啶（U），从而杀死细菌，这种细菌毒素被命名为DddA （double-stranded DNA deaminase toxin A，双链DNA脱氨酶毒素A）。

这种细菌毒素对于人体细胞是有毒的，如果不加以控制，它将肆意破坏DNA，将遇到的所有胞嘧啶（C）都进行突变。经过被David Liu称之为“驯服野兽”的改造后，在模式细胞人类人胚胎肾细胞HEK293T中，研究人员证实了DdCBE系统的编辑能力。他们测试了线粒体基因组中的5个基因，处理3天～6天后，碱基编辑效率在4.6%～49%，脱靶效应基本也在0.05%以下。

近日，在《自然通讯》刊登的一篇论文，证明了DdCBE （derived cytosine base editor，一种线粒体碱基编辑工具）可以在成年和新生小鼠中进行所需的线粒体DNA编辑。这项概念验证研究来自剑桥大学MRC线粒体生物学部门的研究员Michal Minczuk的实验室。

在这项研究中，研究人员通过使用腺相关病毒载体将DdCBE递送到小鼠心脏，在成年和新生小鼠中进行所需的线粒体DNA编辑，均得到了相应的表达结果。

“这是第一次有人能够改变活体动物线粒体中的DNA碱基对”，Minczuk实验室的博士后研究员Pedro Silva-Pinheiro博士指出，“这表明，原则上，我们可以进入并纠正有缺陷的线粒体DNA中的拼写错误，从而产生健康的线粒体，使细胞能够正常运作。”

Minczuk指出：“在我们的疗法能够治疗线粒体疾病之前，显然还有很长的路要走。但它表明，未来的治疗有可能消除线粒体替代疗法的复杂性，并允许在儿童和成人中修复有缺陷的线粒体。”

而就在前不久，我国学者在Cell Discovery上发表了題为“Human cleavingembryos enable efficient mitochondrial base-editing with DdCBE”的研究论文，证实了DdCBE可在人类早期胚胎中实现高效的线粒体碱基编辑，并且在8细胞胚胎中的效率要高得多。

尽管距离应用到临床还有很长的路要走，但现在我们已经看到了黎明前的曙光，这将为线粒体疾病的治疗提供一种更为有效的办法。（综合整理报道） （编辑/诺伊克）