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新分子工具精確編輯粒線體DNA

一種新的分子工具可以精確地編輯粒線體 DNA
  • 精確編輯技術徹底改變了細胞​​核中的 DNA 編輯,此前無法到達粒線體基因組。

  •  一種新的分子編輯器可以對由細菌毒素改造而成的粒線體 DNA 進行精確的核苷酸改變。

  • 與細胞核中的 DNA 編輯不同,粒線體 DNA 編輯需要一條可訪問的途徑將 RNA 運送到目標位置。
  • 研究人員發現了一種由新洋蔥伯克氏菌產生的有毒蛋白質,它可以透過直接靶向雙股 DNA 來殺死其他細菌。

這篇文章發表在布羅德研究所新聞:

粒線體中的基因組(細胞產生能量的細胞器)與疾病和關鍵生物功能有關,精確改變這種 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。 但徹底改變細胞核 DNA 編輯的精確編輯技術卻無法到達粒線體基因組。

現在,麻省理工學院、哈佛大學布羅德研究所和華盛頓大學醫學院的一個團隊透過一種新型分子編輯器打破了這一障礙,該編輯器可以在線粒體DNA 中實現精確的C* G 到T* A 核苷酸變化。 該編輯器由細菌毒素改造而來,能夠對與疾病相關的粒線體 DNA 突變進行建模,為更了解與癌症、老化等相關的遺傳變化打開了大門。

這項工作發表在《自然》雜誌上,共同第一作者是布羅德研究所和哈佛大學的研究生 Beverly Mok,以及華盛頓大學 (UW) 的博士後研究員 Marcos de Moraes。

這項工作由華盛頓大學微生物學教授、霍華休斯醫學研究所 (HHMI) 研究員 Joseph Mougous 和布羅德研究所理查德·默金教授兼醫療保健默金變革技術研究所所長 David Liu 共同監督。哈佛大學化學和化學生物學教授,霍華休斯醫學研究所研究員。

「據我們所知,該團隊開發了一種操縱 DNA 的新方法,並首次用它來精確編輯人類線粒體基因組,為分子生物學中長期存在的挑戰提供了解決方案,」劉說。 “這項工作證明了基礎和應用研究方面的合作,並且可能在線粒體生物學之外有進一步的應用。”

細菌戰劑

目前研究粒線體 DNA 特定變異的大多數方法都涉及使用患者來源的細胞或少數動物模型,其中突變是偶然發生的。 「但這些方法存在很大的局限性,並且創建新的、明確的模型是不可能的,」合著者、研究所成員兼布羅德代謝計畫聯合主任 Vamsi Mootha 說。 Mootha 也是 HHMI 的研究員和馬薩諸塞州總醫院的醫學教授。

雖然基於 CRISPR 的技術可以快速、精確地編輯細胞核中的 DNA,極大地促進許多疾病的模型創建,但這些工具無法編輯粒線體 DNA,因為它們依賴引導 RNA 來定位基因組中的某個位置。 粒線體膜允許蛋白質進入細胞器,但尚不清楚是否有可用於運輸 RNA 的途徑。

當 Mougous 實驗室發現了一種由病原體新洋蔥伯克霍爾德桿菌 (Burkholderia cenocepacia) 產生的有毒蛋白質時,一個潛在的解決方案出現了。 這種蛋白質可以透過直接將雙股DNA中的胞嘧啶(C)轉變為尿嘧啶(U)來殺死其他細菌。

「這種蛋白質的特別之處在於它能夠靶向雙鏈DNA,這向我們表明它可能具有獨特的編輯應用。之前描述的所有靶向DNA 的脫氨酶僅對單鏈形式起作用,這限制了它的作用。它們可以用作基因組編輯器,」穆古斯說。 他的團隊確定了這種名為 DddA 的毒素的結構和生化特徵。

「我們意識到這種『細菌戰劑』的特性可以使其與非基於 CRISPR 的 DNA 靶向系統配對,從而提高了製造不依賴 CRISPR 或嚮導 RNA 的鹼基編輯器的可能性,」劉解釋道。 “它可以使我們最終能夠在生物學的最後角落之一——線粒體DNA——進行精確的基因組編輯,而這種技術仍然無法觸及這一領域。”

《馴服野獸》

團隊面臨的第一個重大挑戰是消除細菌製劑的毒性——Liu 向 Mougous 描述的是「馴服野獸」——以便它可以在不損害細胞的情況下編輯 DNA。 研究人員將這種蛋白質分成兩個不活躍的兩半,只有當它們結合時才能編輯 DNA。

研究人員將被馴服的細菌毒素的兩半與 TALE DNA 結合蛋白連接起來,這種蛋白質可以在細胞核和粒線體中定位並結合目標 DNA 序列,而無需使用引導 RNA。 當這些片段彼此結合 DNA 時,複合物重新組裝成其活性形式,並在該位置將 C 轉化為 U——最終導致 C* G 到 T* A 鹼基編輯。 研究人員將他們的工具稱為 DddA 衍生胞嘧啶鹼基編輯器 (DdCBE)。

研究小組對人類細胞線粒體基因組中的五個基因進行了 DdCBE 測試,發現 DdCBE 在多達 50% 的線粒體 DNA 中進行了精確的鹼基編輯。 他們將重點放在基因 ND4 上,該基因編碼線粒體酶複合物 I 的一個亞基,以進行進一步的表徵。 Mootha 的實驗室分析了編輯細胞的粒線體生理學和化學,並表明這些變化按預期影響了粒線體。

「這是我職業生涯中第一次我們能夠對粒線體 DNA 進行精確編輯,」Mootha 說。 “這是一個巨大的飛躍——如果我們能夠進行靶向突變,我們就可以開發模型來研究與疾病相關的變異,確定它們在疾病中實際發揮的作用,並篩選藥物對相關途徑的影響。”

未來發展

該領域現在的一個目標是開發能夠精確地在粒線體 DNA 中產生其他類型遺傳變化的編輯器。

「粒線體基因組編輯器具有開發成治療粒線體衍生疾病的療法的長期潛力,並且作為科學家可以用來更好地模擬粒線體疾病和探索與粒線體生物學相關的基本問題的工具,它具有更直接的價值和遺傳學,」穆古斯說。

研究小組補充說,DdCBE 的一些特徵,例如它缺乏 RNA,也可能對粒線體以外的其他基因編輯應用有吸引力。

這項研究發表於 自然 2020 年 7 月。 



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