發(fā)布日期：2018-10-09
這些線粒體含有自己的DNA，但也會攜帶引發(fā)疾病的突變。圖片來源：CNRI/SCIENCE SOURCE
被譽(yù)為潛在革命性醫(yī)學(xué)工具的基因組編輯器CRISPR并非萬能。為細(xì)胞供應(yīng)能量的細(xì)胞器——線粒體擁有自己的線粒體DNA（mtDNA），并且那里的突變會產(chǎn)生包括耳聾、癲癇和肌肉無力在內(nèi)的破壞性后果。
兩項(xiàng)日前發(fā)表于《自然—醫(yī)學(xué)》雜志的研究表明，兩個(gè)更老的基因組編輯工具能減少患有線粒體疾病的小鼠體內(nèi)的缺陷性mtDNA，從而抵消突變的影響。該原理循證結(jié)果或?yàn)檠邪l(fā)首個(gè)線粒體疾病療法開辟了道路。“這些發(fā)現(xiàn)不同凡響，甚至使在人類身上開展相關(guān)試驗(yàn)成為可能。”未參與上述工作的美國哥倫比亞大學(xué)歐文醫(yī)療中心線粒體生物學(xué)家Martin Picard表示。
不過，將這些成果轉(zhuǎn)變成療法將非常困難。編碼該基因組編輯器的基因必須由病毒引入，而研究人員一直在為讓類似的基因療法奏效苦苦掙扎。同兩項(xiàng)研究均未有關(guān)聯(lián)的明尼蘇達(dá)州梅約診所分子遺傳學(xué)家Stephen Ekker表示，“最新研究成果可隨時(shí)在人類身上驗(yàn)證”。事實(shí)上，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在為啟動臨床試驗(yàn)作準(zhǔn)備。
作為在早期真核細(xì)胞內(nèi)部“定居下來”的古細(xì)菌的后代，線粒體擁有自己的小型基因組以及一組未被細(xì)胞核中基因編碼的獨(dú)特蛋白質(zhì)。每個(gè)細(xì)胞能包含上千個(gè)這樣的細(xì)胞器，而mtDNA中的突變會引發(fā)一系列疾病。“如果你把所有的線粒體疾病綜合在一起，會發(fā)現(xiàn)它們是人類遺傳性疾病最常見的起因之一。”領(lǐng)導(dǎo)其中一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的英國劍橋大學(xué)分子生物學(xué)家Michal Minczuk表示。
頗具爭議的“三親嬰兒”方法能讓兒童免于遺傳線粒體疾病。它涉及將母親卵子中的缺陷性線粒體替換成健康捐贈者的線粒體。但研究人員并未發(fā)現(xiàn)任何針對遺傳了錯誤mtDNA患者的療法。“目前有大量的需求未得到滿足。”Ekker說。
剪斷突變DNA或能派上用場，因?yàn)榫€粒體會摧毀被切斷的分子。更重要的是，這種潛在療法可能無須消除無數(shù)線粒體中的所有缺陷性mtDNA。邁阿密大學(xué)米勒醫(yī)學(xué)院線粒體生物學(xué)家Carlos Moraes介紹說，患有線粒體疾病的父母攜帶的mtDNA拷貝可能帶有有害突變，也可能沒有，而在癥狀出現(xiàn)前，兩種突變的比例必須達(dá)到特定程度。“如果你能將這一比例降到閾值以下，臨床表現(xiàn)可能就會消失。”
不過，CRISPR不是一個(gè)選擇。它依賴于RNA鏈指引剪切DNA的蛋白質(zhì)前往基因組中的正確位置，而大多數(shù)研究人員懷疑線粒體能占用這些向?qū)NA。為此，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)將時(shí)鐘撥回前CRISPR時(shí)代，并且測試了另外兩種編輯方法——鋅指核酸酶（ZFNs）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（TALENs）。兩種方法均包括被設(shè)計(jì)用于在沒有向?qū)NA的情況下導(dǎo)向目標(biāo)追蹤DNA的DNA剪切蛋白質(zhì)。雖然這些系統(tǒng)比CRISPR更加繁瑣且沒有那么通用，但它們也能剪斷特定位置的DNA。
兩組研究人員利用被認(rèn)為無害的類似病毒，把負(fù)責(zé)編輯DNA蛋白質(zhì)的基因運(yùn)送進(jìn)突變小鼠的細(xì)胞中。在該菌株中，一些mtDNA拷貝在編碼一種幫助組裝線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA）的基因中產(chǎn)生了突變。和正常小鼠相比，突變小鼠體內(nèi)的這種tRNA較少，盡管它們僅表現(xiàn)出輕微的心臟異常。
Moraes和同事Sandra Bacman及其團(tuán)隊(duì)成員將載有TALENs基因的病毒注射進(jìn)每只小鼠右側(cè)的腿部肌肉中。作為對照，他們將缺少TALENs基因的病毒注射進(jìn)左側(cè)相同的肌肉中。6個(gè)月后，在接受TALENs基因注射的肌肉中，突變線粒體DNA的數(shù)量減少了一多半，同時(shí)受損DNA和正常DNA的比例降低通常產(chǎn)生癥狀的50:50閾值。
Minczuk和博士后Payam Gammage及同事設(shè)計(jì)了對等的ZFNs并將攜帶它們的病毒注射進(jìn)小鼠的尾靜脈中。一旦進(jìn)入血流，這些病毒便會穿行至同樣含有缺陷性mtDNA的心臟中。當(dāng)科學(xué)家在65天后分析這些動物的心臟組織時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)突變線粒體DNA的比例降低了40%左右。
由于輕微心臟異常很難被記錄到，因此研究人員利用分子指標(biāo)測量療法的成功性。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)均確定在突變小鼠體內(nèi)稀缺的tRNA在實(shí)施基因療法后激增。Minczuk的團(tuán)隊(duì)還測量了若干表明小鼠體內(nèi)線粒體表現(xiàn)更好的代謝分子。
研究人員認(rèn)為，為將該策略應(yīng)用到人類身上，他們不得不確保針對TALENs和ZFNs的基因以合適的數(shù)量到達(dá)正確的組織。無論如何，Moraes表示，他和同事正試圖組織一場在患有mtDNA突變的病人身上開展針對其方法的安全性試驗(yàn)。這最早將在明年開始。Minczuk表示，他的團(tuán)隊(duì)也希望啟動臨床試驗(yàn)，但目前并沒有時(shí)間表。（宗華）
相關(guān)論文信息：DOI:10.1126/science.aav5152
《中國科學(xué)報(bào)》 (2018-10-09 第3版 國際)
來源：中國科學(xué)報(bào)
