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科学家现在可以精确地编辑线粒体内部的基因

科学家现在可以精确地编辑线粒体内部的基因,线粒体是细胞内部的微小能量工厂。在过去的十年中,基因编辑已迅速普及。借助CRISPR / Cas9和相关技术,科学家可以比以往更轻松地对DNA进行有针对性的改变。但是,尽管这些最先进的工具在存储大多数遗传信息的细胞核中起作用,但细胞的某些部分仍然顽固地无法进入CRISPR。

现在,一种新的无CRISPR工具将这种基因编辑能力带给了细胞的第二个较小的基因组-线粒体中的一个。华盛顿大学霍华德·休斯医学院(HHMI)研究人员约瑟夫·穆格斯(Joseph Mougous)说,这是线粒体DNA的第一个精确基因编辑器。

这项进展是Mougous与其他两名HHMI研究人员-哈佛大学和Broad研究所的David Liu以及马萨诸塞州综合医院和Broad研究所的Vamsi Mootha跨国合作的结果。由Mougous和Liu领导的研究小组于2020年7月8日在《自然》杂志上报告了其发现。

线粒体DNA的突变可导致多种罕见和了解不足的疾病。

到目前为止,在实验室研究这些疾病的科学家可以通过破坏细胞器的DNA摆脱突变。但他们不能可靠地纠正单个突变,同时保持其他线粒体基因完整。

Mootha说,尽管这种新工具尚不能直接在人类中使用,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。他说:“这是我领域的一种变革性技术。” “现在有可能创建线粒体DNA疾病的小鼠模型-到目前为止,这一直是非常困难的。”

一种不寻常的蛋白质

Mougous并未着手创建基因编辑器。他的实验室研究细菌战,尤其是细菌用来攻击其他细菌的毒素。

两年前,穆格实验室的博士后Marcos de Moraes试图了解其中一种毒素是如何起作用的。但这违背了他的所有期望。毒素是一种脱氨酶,一种可以通过去除DNA和RNA“字母”中的含氮片段而引起遗传突变的蛋白质。

大多数脱氨酶靶向天然的单链DNA或RNA的单链。这种脱氨酶很奇怪-似乎都不起作用。几个月以来,de Moraes未能成功测试该蛋白质。然后,一个晚上,独自在实验室里,他决定尝试他不希望的工作:双链DNA。

DNA通常被发现是双螺旋,但是以这种形式测试蛋白质“只是没想到”,穆格斯说。“看来,脱氨基酶只能作用于单链DNA——故事的终点。”

由于CRISPR / Cas-9等技术的进步,精确编辑细胞核(蓝色)中的DNA变得更加容易,而线粒体(红色)中的DNA编辑变得更加困难。现在,一种新工具为线粒体DNA带来了精确的基因编辑。图片来源:Tslil Ast / Mootha Lab

但是异常的脱氨酶使他们感到惊讶。de Moraes说,它把双链DNA弄得一团糟,削弱了它编辑字母的每个位置的DNA。“ BOOM,我们得到了这个超级积极的结果!” 他说。“这可能是我科学生涯中最激动人心的时刻。”

De Moraes和他的同事在接下来的几个月中证实了他们的最初发现。然后,Mougous意识到实验室可能正在对基因编辑有用的东西上,因此与Liu取得了联系。

新编辑

Liu的实验室已经在推动基因编辑的界限。他的团队先前已经开发了几种精密工具来编辑细胞核中的DNA,包括可以改变单个字母的“ 基础编辑器 ”。但是线粒体基因编辑却更加困难。

著名的CRISPR / Cas9系统依靠一小段“引导” RNA将Cas9酶引导至基因组中的特定位置,在此处它可以剪断DNA的两条链。Liu团队的基础编辑使用相同的方法。但是CRISPR没有能够编辑线粒体DNA,因为没有人知道如何将引导RNA转运到线粒体中。

研究人员意识到,直接作用于双链DNA的脱氨酶可能是一种解决方法-无需指导RNA。在早上通勤期间,刘接听了Mougous最初关于新的脱氨酶的电话,并被谈话深深吸引,他上班时没有挂断电话。

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。如莫拉兹(de Moraes)在他的早期实验室测试中所显示的那样,如果任其发展,它将尽可能地破坏DNA。正如刘所描述的那样,要“驯服野兽”,他必须找到一种方法来防止脱氨酶改变DNA,直到它到达正确的位置。

解决方案:将蛋白质分成两半无害。在研究生Beverly Mok的带领下,Liu的团队依靠Mougous实验室的3D成像数据将蛋白质分为两部分。每个碎片都没有做任何事情,但是当它们团聚时,它们重新构造了蛋白质的全部功能。该团队将每个脱氨酶与不需要向导RNA的可定制DNA靶向蛋白融合在一起。这些蛋白质与特定的DNA片段结合,将两半结合在一起。这使脱氨酶恢复功能并可以用作精确的基因编辑器-但只有在正确定位后才能使用。

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

“您可以想像,如果将编辑工具引入线粒体中,可能会不小心引起​​某种灾难,” Mootha说。“但是非常干净。” 他解释说,除了科学家有意编辑的那一部分之外,整个线粒体功能都很好。

Mougous说,这位线粒体基础编辑器仅仅是个开始。它可以将四个DNA字母之一更改为另一个。他希望找到更多的脱氨酶,他和刘可以发展成为能够进行其他线粒体DNA改变的编辑。

刘说:“这项工作最有趣的方面之一就是我们三个实验室有机地结合在一起。” “不是因为有人告诉我们要聚在一起做某事,而是因为科学引领了我们。”

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