線(xiàn)粒體作為細胞能量的“供應站”，有著(zhù)獨立于細胞核的遺傳物質(zhì)——線(xiàn)粒體DNA(mtDNA)。mtDNA可能會(huì )攜帶導致疾病的突變并帶來(lái)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(fā)現，在治療線(xiàn)粒體DNA突變上，被譽(yù)為具有潛在革命性醫療工具的基因編輯工具CRISPR似乎毫無(wú)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(xiàn)粒體DNA突變。
這些線(xiàn)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(fā)表在《Nature Medicine》雜志上。
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(xiàn)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(xiàn)粒體疾病的首次治療開(kāi)辟了道路。
線(xiàn)粒體DNA (mtDNA)致病突變導致的遺傳病每5000個(gè)成年人中就有1個(gè)患有，疾病癥狀從肌肉無(wú)力到心臟病不等。“如果將所有線(xiàn)粒體疾病結合起來(lái)，它們是人類(lèi)遺傳病最常見(jiàn)的原因之一，”領(lǐng)導其中一個(gè)研究小組的英國劍橋大學(xué)的分子生物學(xué)家Michal Minczuk說(shuō)道。
備受爭議的“三親嬰兒”方法可以保護兒童免受線(xiàn)粒體疾病的遺傳，它涉及到用健康捐贈者的線(xiàn)粒體替換母體卵子中有缺陷的線(xiàn)粒體。但研究人員還沒(méi)有發(fā)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(shù)剪斷突變的mtDNA，線(xiàn)粒體就會(huì )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(wú)數線(xiàn)粒體中所有有缺陷的mtDNA。領(lǐng)導另一個(gè)研究小組的佛羅里達邁阿密大學(xué)米勒醫學(xué)院的線(xiàn)粒體生物學(xué)家Carlos Moraes指出，線(xiàn)粒體疾病患者的mtDNA拷貝中包含有害突變和無(wú)害突變，這兩個(gè)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(gè)比例降低到閾值以下，臨床表現可能就會(huì )消失。”
CRISPR基因編輯技術(shù)在編輯核DNA中發(fā)現的突變方面取得了快速進(jìn)展，但研究人員難以將同樣的技術(shù)應用于mtDNA，因為線(xiàn)粒體似乎不具備引導RNA的能力，無(wú)法讓該工具按照正確的序列定位。
因此，這兩個(gè)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。
1、邁阿密大學(xué)——TALENs編輯系統
兩組研究人員利用無(wú)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有助于組裝線(xiàn)粒體蛋白。這些動(dòng)物的tRNA變種比正常少，盡管它們只會(huì )形成一種微妙的癥狀，即輕微的心臟異常。
在邁阿密大學(xué)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只動(dòng)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(gè)月后，接受TALENs治療的肌肉中突變線(xiàn)粒體DNA數量減少了50%以上，受損DNA與正常DNA的比例低于通常會(huì )引起癥狀的50:50的閾值。
2、劍橋大學(xué)——ZFNs編輯系統
在劍橋大學(xué)的研究中，Minczuk和他的博士后Payam Gammage以及他的同事們按同樣的思路設計了ZFNs，并將攜帶病毒的載體注入小鼠的尾靜脈。病毒載體一旦進(jìn)入血液，就會(huì )進(jìn)入心臟，而心臟也隱藏著(zhù)有缺陷的mtDNA。65天后，當研究人員分析這些動(dòng)物的心臟組織時(shí)，他們發(fā)現突變線(xiàn)粒體DNA的比例要低40%左右。
由于輕微的心臟異常很難被記錄下來(lái)，研究人員使用分子指標來(lái)衡量治療的成功程度。兩組均確定突變小鼠中缺乏的tRNA水平在基因治療后飆升。Minczuk的團隊還測量了一些代謝分子，這些分子表明動(dòng)物的線(xiàn)粒體工作得更好。
3、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(gè)研究小組都表示計劃進(jìn)行人體安全性臨床試驗。
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