姜還是老的辣！兩篇論文證明：「老牌」基因編輯技術糾正小鼠的線粒體DNA突變

健康 10-05

生物探索

編者按

線粒體作為細胞能量的「供應站」，有著獨立於細胞核的遺傳物質——線粒體DNA(mtDNA)。mtDNA可能會攜帶導致疾病的突變並帶來毀滅性的結果，對此，基因編輯可能是一種補救的方法。近日，兩篇最新研究發現，在治療線粒體DNA突變上，被譽為具有潛在革命性醫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的線粒體DNA突變。

這些線粒體含有自己的DNA，但它們也可能攜帶導致疾病的突變

研究結果分別以「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」為題發表在《Nature Medicine》雜誌上。

研究表明，轉錄激活子樣效應核酸酶（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有缺陷的mtDNA的數量，從而抵消這種突變的影響。這一原理驗證結果或為線粒體疾病的首次治療開闢了道路。

線粒體DNA (mtDNA)致病突變導致的遺傳病每5000個成年人中就有1個患有，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合起來，它們是人類遺傳病最常見的原因之一，」領導其中一個研究小組的英國劍橋大學的分子生物學家Michal Minczuk說道。

備受爭議的「三親嬰兒」方法可以保護兒童免受線粒體疾病的遺傳，它涉及到用健康捐贈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現任何針對有mtDNA遺傳有缺陷患者的治療方法。只要用基因編輯技術剪斷突變的mtDNA，線粒體就會摧毀被切斷的分子。此外，潛在的治療可能不需要消除體內無數線粒體中所有有缺陷的mtDNA。領導另一個研究小組的佛羅里達邁阿密大學米勒醫學院的線粒體生物學家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，這兩個變種之間的比例必須在癥狀出現之前達到一定的水平。「如果能把這個比例降低到閾值以下，臨床表現可能就會消失。」

CRISPR基因編輯技術在編輯核DNA中發現的突變方面取得了快速進展，但研究人員難以將同樣的技術應用於mtDNA，因為線粒體似乎不具備引導RNA的能力，無法讓該工具按照正確的序列定位。

因此，這兩個團隊使用了另外兩種「老牌」編輯方法——鋅指核酸酶(ZFNs)和轉錄激活器樣效應核酸酶(TALENs)。雖然這些系統比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——TALENs編輯系統

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

在邁阿密大學的研究中，Moraes和他的同事Sandra Bacman，以及他們的團隊將攜帶TALENs基因的病毒注射到每隻動物右腿的肌肉中。作為對照，他們將缺少TALENs基因的病毒注射到左側的同一塊肌肉中。6個月後，接受TALENs治療的肌肉中突變線粒體DNA數量減少了50%以上，受損DNA與正常DNA的比例低於通常會引起癥狀的50:50的閾值。

劍橋大學——ZFNs編輯系統

在劍橋大學的研究中，Minczuk和他的博士後Payam Gammage以及他的同事們按同樣的思路設計了ZFNs，並將攜帶病毒的載體注入小鼠的尾靜脈。病毒載體一旦進入血液，就會進入心臟，而心臟也隱藏著有缺陷的mtDNA。65天後，當研究人員分析這些動物的心臟組織時，他們發現突變線粒體DNA的比例要低40%左右。

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

計劃人體試驗

研究人員一致認為，要在人體中應用該策略，他們必須確保TALEN和ZFN的基因以正確的量到達正確的組織。兩個研究小組都表示計划進行人體安全性臨床試驗。

責編：風鈴

End

參考資料：1）Gene Editing Treats Mitochondrial Disorders in Mice

2）Zapping mutant DNA in mitochondria could treat major class of genetic disease

3）Researchers used TALENs and zinc finger nucleases to correct disease-causing mutations.

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