Nature :比CRISPR更精准的线粒体基因编辑工具

线粒体DNA(mitochondrialDNA,mtDNA)是一套独立于细胞核的遗传物质,编码参与细胞能量代谢的13种蛋白。mtDNA突变导致母系遗传Leigh综合征、线粒体肌病、共济失调舞蹈病等几十种遗传疾病。CRISPR基因编辑无法在线粒体中发挥作用,因为线粒体基因组相对较小,缺少足够的CRISPR可编辑位点;外源RNA难以高效导入线粒体内,CRISPR缺少gRNA无法工作。
2020年7月8日Nature报道,Broad研究所刘如谦研究团队利用可以将胞嘧啶转化为尿嘧啶的胞苷脱氨酶DddA,开发出了不依赖RNA的DddA衍生胞嘧啶碱基编辑器(DdCBE),可以催化mtDNA中C/G向T/A的转化,具有很高的靶向特异性和编辑准确性。

图:DdCBEs编辑线粒体全基因组脱靶DNA|来源:Nature
早在2018年,研究者发现胞苷脱氨酶DddA可以催化双链DNA中胞苷的脱氨,将胞嘧啶(C)转化为尿嘧啶(U)。但是胞苷脱氨酶对哺乳动物细胞有毒,为了优化性能,研究团队将DddA蛋白拆分为无活性的两半,利用两个转录激活子样效应子阵列蛋白(TALE)分别与半个DddA蛋白结合,再将DddA组装起来,恢复催化碱基编辑活性,同时解除细胞毒性。为了使工具顺利穿过线粒体双层膜,研究者使用线粒体靶向信号的氨基酸序列标记了该工具。尿嘧啶是RNA特有碱基,容易被尿嘧啶-DNA糖基化酶从DNA上切下,研究团队将TALE–DddA分裂半体与尿嘧啶糖基化酶抑制剂(UGI)融合在一起,保护U直到下一轮DNA复制或修复发生,互补链的G被A取代,UGI的加入使编辑效率提高约八倍。最终,研究团队构建目前最高效线粒体基因编辑工具——由线粒体靶向信号肽、TALE蛋白、DddA分裂半体及UGI组成的DdCBE。
研究者表示,该线粒体编辑工具可以修复49%已知的线粒体有害基因突变,为线粒体遗传病的研究、治疗和预防,带来了前所未有的希望,也为与线粒体基因组与人类衰老、癌症、及其他复杂疾病关联性的研究提供新工具。哥伦比亚大学线粒体疾病研究专家Michio Hirano称该研究“问鼎了线粒体研究领域的圣杯”。
编译整理|吴晓燕 生物科技战略研究中心
参考文献|A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing
2020-07-30智邦网

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