在過去的十年中，基因編輯已迅速普及，借助CRISPR-Cas9等相關技術，科學家可以比以前更輕松地對DNA進行有針對性的改變，然而盡管這些先進的工具可以在細胞核中起作用，而那些隱藏在細胞的某些部分的遺傳信息仍然頑固地處于CRISPR無法達到的地方。

近日，一種新的無CRISPR的工具讓這種基因編輯能力到達了細胞的第二個較小的基因組——線粒體中，這是線粒體DNA的第一個精確基因編輯器。

這一發(fā)現(xiàn)公布在Nature雜志上，由HHMI的Joseph Mougous，哈佛大學的David Liu和麻省總醫(yī)院的Vamsi Mootha三個實驗室完成。

到目前為止，研究線粒體疾病的科學家們只能通過破壞細胞器，來進行線粒體DNA研究。但是，他們不能糾正單個突變，同時保持其他線粒體基因的完整性。

Mootha表示，盡管這種新工具尚不能直接用于人類，但它將使科學家更容易研究動物中的這些疾病，以及基本的線粒體生物學。“這是這一領域的一種革新性技術。現(xiàn)在有可能創(chuàng)建線粒體DNA疾病的小鼠模型，在此之前，這一直是非常困難的。”

一種不尋常的蛋白質

兩年前，Mougous實驗室的博士后Marcos de Moraes在分析一種毒素工作原理的時候，發(fā)現(xiàn)結果與他預期不同，這種毒素是一種脫氨酶，一種可通過去除氮而引起基因突變的蛋白質。

大多數(shù)脫氨酶靶向天然的單鏈DNA或RNA單鏈。這種脫氨酶很奇怪，幾個月以來，de Moraes均未成功分析該蛋白質。后他決定嘗試一些他沒想到的工作：雙鏈DNA。

脫氧核糖核酸通常被發(fā)現(xiàn)是雙螺旋，但是“似乎脫氨酶僅作用于單鏈脫氧核糖核酸末端。”

而這種異常的脫氨酶讓他們大吃一驚——能斷裂雙鏈DNA，de Moraes說，這可能是他科學生涯中激動人心的時刻了。

De Moraes和他的同事花了幾個月的時間來確認這一初發(fā)現(xiàn)，然后，Mougous意識到實驗室可能正研究對基因編輯有用的東西，因此聯(lián)-系了Liu。

新編輯技術

Liu的團隊先前已經開發(fā)了幾種精密的工具，用以編輯細胞核中的DNA，其中包括可以改變單個字母的“堿基編輯器”，但是線粒體的基因編輯還十分困難。

著名的CRISPR-Cas9系統(tǒng)依靠一小段“引導” RNA來引導Cas9酶到基因組中的特定位置，在此處它可以剪切DNA的兩條鏈，Liu的團隊的基本編輯技術使用了相同的方法。Liu說，因為沒有人知道如何將引導RNA轉運到線粒體中，所以無法編輯線粒體DNA。

Mougous的新分子令人興奮，但它是天然存在的細菌毒素，而不是現(xiàn)成的基因編輯器。未經檢查，它可能會破壞DNA的一切，因此科學家們必須找到一種方法來防止脫氨酶改變DNA，直到到達正確的位置。

解決方案是：將蛋白質分成兩個無害的部分，研究人員依照3D成像數(shù)據(jù)將蛋白質分為兩個部分，他們將每個脫氨酶的一半融合到不需要引導RNA的可定制DNA靶向蛋白上，這些蛋白與特定的DNA-片段結合，將兩半結合在一起，從而使脫氨酶恢復功能，并作為一種蛋白質發(fā)揮作用。

Liu的團隊使用這項技術對特定的線粒體基因進行了精確的改變，之后專注于線粒體生物學的Mootha實驗室進行了測試，查看這些編輯是否具有預期的效果。

Mootha說：“您可以想象，如果將編輯工具引入線粒體中，可能會造成某種災難。但是結果表明它非常精確。”整個線粒體功能良好。

劉說：“這項工作-有趣的方面是我們三個實驗室有機地結合在一起。這不是因為有人告訴我們聚在一起做某事，而是因為科學了我們。”