線粒體的遺傳物質(zhì)發(fā)生突變同樣會帶來遺傳性疾病，例如已知的線粒體肌病、母系遺傳Leigh綜合征、Leber遺傳性視神經(jīng)病、共濟(jì)失調(diào)舞蹈病、骨骼肌溶解癥等幾十種遺傳疾病。這些疾病在很大程度上無法治愈，且通常是致命的疾病。據(jù)統(tǒng)計，大約5000人中就有1個人深受線粒體疾病的折磨。

針對線粒體疾病，目前沒有可以治愈的治療方法。值得一提的是，線粒體疾病是一種母系遺傳疾病，線粒體幾乎全部由母親傳遞給子女。當(dāng)母親確診mtDNA突變時，一種被認(rèn)為是最根本的治療方法就是糾正卵細(xì)胞，即“三親嬰兒”，胚胎的DNA來自三個人：父親提供精子、母親提供卵細(xì)胞核、女性捐贈者提供去除細(xì)胞核的卵細(xì)胞。2015年，英國成為第一個批準(zhǔn)合法實施“三親嬰兒”技術(shù)的國家;2016年，華人醫(yī)學(xué)博士張進(jìn)締造了全球第一例“三親嬰兒”。

除此之外，科學(xué)家們還在研究針對線粒體疾病的基因治療。

談起基因治療，就離不開基因編輯工具。傳統(tǒng)的三大基因編輯技術(shù)CRISPRCas9、TALEN和ZFN主要作用于細(xì)胞核中的基因，對于線粒體中基因的編輯存在著很大的問題。CRISPR Cas9系統(tǒng)一般包括一段人工合成的Guide RNA和cas9酶，而RNA不能進(jìn)入線粒體，因此，CRISPR Cas9技術(shù)不能對線粒體基因進(jìn)行編輯。

目前改造線粒體DNA的方法主要是利用無RNA系統(tǒng)的核酸酶。

轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶系統(tǒng)和鋅指核酸酶系統(tǒng)都是通過識別特定的DNA序列進(jìn)行工作的，因此可以進(jìn)入線粒體發(fā)揮基因編輯的作用，但是這兩種技術(shù)存在一個缺陷就是，它們都是通過將攜帶的突變mtDNA直接降解來消除突變的。這會使得mtDNA拷貝數(shù)降低，而mtDNA拷貝數(shù)的降低可能會在實際疾病治療中帶來更多的風(fēng)險。

基于以上原因，一種專門用于線粒體的堿基編輯工具的開發(fā)迫在眉睫。

世界第一例“三親嬰兒”

2020年7月，基因編輯領(lǐng)域知名科學(xué)家、哈佛大學(xué)和Broad研究所教授David Liu的團(tuán)隊在《自然》上發(fā)表了關(guān)于線粒體基因編輯技術(shù)的最新研究進(jìn)展，開發(fā)出了首個“線粒體DNA精確編輯的分子工具”。

線粒體堿基編輯器DdCBE的建立，是基于細(xì)菌毒素DddA的發(fā)現(xiàn)。

在研究細(xì)菌如何利用毒素互相攻擊時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種對單鏈DNA （ssDNA）沒有效果的脫氨酶，它可以直接作用于雙鏈DNA （dsDNA），將其中的胞嘧啶（C）轉(zhuǎn)變成尿嘧啶（U），從而殺死細(xì)菌，這種細(xì)菌毒素被命名為DddA （double-stranded DNA deaminase toxin A，雙鏈DNA脫氨酶毒素A）。

這種細(xì)菌毒素對于人體細(xì)胞是有毒的，如果不加以控制，它將肆意破壞DNA，將遇到的所有胞嘧啶（C）都進(jìn)行突變。經(jīng)過被David Liu稱之為“馴服野獸”的改造后，在模式細(xì)胞人類人胚胎腎細(xì)胞HEK293T中，研究人員證實了DdCBE系統(tǒng)的編輯能力。他們測試了線粒體基因組中的5個基因，處理3天～6天后，堿基編輯效率在4.6%～49%，脫靶效應(yīng)基本也在0.05%以下。

近日，在《自然通訊》刊登的一篇論文，證明了DdCBE （derived cytosine base editor，一種線粒體堿基編輯工具）可以在成年和新生小鼠中進(jìn)行所需的線粒體DNA編輯。這項概念驗證研究來自劍橋大學(xué)MRC線粒體生物學(xué)部門的研究員Michal Minczuk的實驗室。

在這項研究中，研究人員通過使用腺相關(guān)病毒載體將DdCBE遞送到小鼠心臟，在成年和新生小鼠中進(jìn)行所需的線粒體DNA編輯，均得到了相應(yīng)的表達(dá)結(jié)果。

“這是第一次有人能夠改變活體動物線粒體中的DNA堿基對”，Minczuk實驗室的博士后研究員Pedro Silva-Pinheiro博士指出，“這表明，原則上，我們可以進(jìn)入并糾正有缺陷的線粒體DNA中的拼寫錯誤，從而產(chǎn)生健康的線粒體，使細(xì)胞能夠正常運作?！?/p>

Minczuk指出：“在我們的療法能夠治療線粒體疾病之前，顯然還有很長的路要走。但它表明，未來的治療有可能消除線粒體替代療法的復(fù)雜性，并允許在兒童和成人中修復(fù)有缺陷的線粒體?！?/p>

而就在前不久，我國學(xué)者在Cell Discovery上發(fā)表了題為“Human cleavingembryos enable efficient mitochondrial base-editing with DdCBE”的研究論文，證實了DdCBE可在人類早期胚胎中實現(xiàn)高效的線粒體堿基編輯，并且在8細(xì)胞胚胎中的效率要高得多。

盡管距離應(yīng)用到臨床還有很長的路要走，但現(xiàn)在我們已經(jīng)看到了黎明前的曙光，這將為線粒體疾病的治療提供一種更為有效的辦法。（綜合整理報道） （編輯/諾伊克）