線粒體（細胞產(chǎn)生能量的細胞器）中的基因組參與疾病和關鍵的生物學功能，精確地改變這種DNA的能力將使科學家能夠更多地了解這些基因和突變的影響，也將徹底改變了細胞核中DNA編輯的技術(shù)無法到達線粒體基因組的困境。

來自麻省理工學院，Broad研究所以及華盛頓大學醫(yī)學院的一個團隊利用一種新型分子編輯器打破了原有障礙，該分子編輯器可以使線粒體DNA中的C * G-to-T * A核苷酸發(fā)生精確變化。該編輯器是由細菌毒素改造而成，能夠?qū)εc疾病相關的線粒體DNA突變進行建模，從而為更好地理解與癌癥，衰老等相關的基因變化打開了新的大門。

“我們團隊首次開發(fā)了一種處理DNA的新方法，并首次使用它來精確編輯人類線粒體基因組，這為解決分子生物學中長期存在的挑戰(zhàn)提供了解決方案。這項工作證明了基礎研究和應用研究之間的合作，而且除了線粒體生物學以外，這一技術(shù)可能還有其他應用�！�

“細菌毒劑”

目前研究線粒體DNA突變的大多數(shù)方法都需要使用患者來源的細胞或少數(shù)動物模型，“但是這些方法存在主要局限性，創(chuàng)建新的定義模型是不可能的”，作者之一Vamsi Mootha教授說。

盡管基于CRISPR的技術(shù)可以快速精確地編輯細胞核中的DNA，極大地促進了許多疾病的模型創(chuàng)建，但是這些工具仍無法編輯線粒體DNA，因為它們依賴于導向RNA靶向基因組中的位置。線粒體膜允許蛋白質(zhì)進入細胞器，但不知是否有可運輸RNA的途徑。

當Mougous實驗室鑒定出病原菌Burkholderia cenocepacia產(chǎn)生的有毒蛋白質(zhì)時，一種潛在的解決方案出現(xiàn)了，這種蛋白質(zhì)可以通過將雙鏈DNA中的胞嘧啶（C）直接變?yōu)槟蜞奏ぃ║）來殺死其他細菌。

“這種蛋白質(zhì)的特殊之處在于，它具有靶向雙鏈DNA的能力，并且它可能具有獨特的編輯應用，以前描述的靶向DNA的所有脫氨酶只能以單鏈形式起作用，這限制了它的作用方式，”Mougous說。

之后他的團隊解析了這種名為DddA的毒素的結(jié)構(gòu)和生化特性。

“我們意識到這種'細菌毒劑'的特性可以使其與基于非CRISPR的DNA靶向系統(tǒng)配對，從而提高了使不依賴CRISPR或?qū)�向RNA的堿基編輯者的可能性，” Liu解釋說，“最終，它幫助我們在生物學的最后一個角落（線粒體DNA）完成精確的基因組編輯�！�

“馴服野獸”

研究小組的第一個主要挑戰(zhàn)是消除這種成分的毒性，Liu和Mougous說，這就像是“馴服野獸”，因為要確保它可以編輯DNA而不會損壞細胞。研究人員將蛋白質(zhì)分為兩個非活性部分，只有結(jié)合在一起才能編輯DNA。

研究人員將馴服的細菌毒素的兩半束縛在TALE DNA結(jié)合蛋白上，這種蛋白可以在不使用導向RNA的情況下定位，結(jié)合細胞核和線粒體中的靶向DNA序列。該復合體重新組裝成其活性形式，并在該位置將C轉(zhuǎn)換為U。最終導致C * G-to-T * A的基本編輯。

研究人員稱這種工具為DddA-derived cytosine base editor (DdCBE)。

研究小組在人體細胞線粒體基因組中的五個基因上測試了DdCBE，發(fā)現(xiàn)DdCBE在多達50％的線粒體DNA中進行了精確的堿基編輯，然后他們研究了編碼線粒體酶復合體I亞基的ND4基因，同時Mootha的實驗室分析了所編輯細胞的線粒體生理學和化學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)這些變化會按預期影響線粒體。

Mootha表示：“這是我職業(yè)生涯中第一次能夠?qū)�線粒體DNA進行精確的編輯。這是一個巨大的飛躍，如果我們能夠進行針對性的突變，我們就可以開發(fā)用于研究疾病的模型，確定突變在疾病中的實際作用，并篩選藥物，分析藥物對所涉及途徑的影響�！�

未來發(fā)展

現(xiàn)在，研究人員的一個目標是開發(fā)可以精確地在線粒體DNA中進行其他類型遺傳改變的編輯器。

線粒體基因組編輯器具有長期的潛力，可以發(fā)展成為治療線粒體源性疾病的療法，它具有更直接的價值，可作為科學家用來更好地模擬線粒體疾病，并探索與線粒體生物學有關的基本問題的工具和遺傳學”。

研究小組補充說，DdCBE的某些功能（例如不用RNA）可能對線粒體以外的其他基因編輯應用也具有吸引力。