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粒線體。圖片來源:維基百科。 |
最近這些年炙手可熱的基因編輯技術CRISPR應該很多人都聽過。CRISPR可讓科學家們刪除或改變基因序列,是非常強大的基因編輯工具,遠勝於過去許多種不同的基因編輯系統。但是CRISPR卻無法編輯粒線體DNA,或者更正確地說,到目前為止,沒有人成功編輯粒線體DNA(也就是粒線體的基因體)過。這就是為何在出現粒線體疾病時,過去使用的方式是所謂的「
粒線體移植」:將帶有不正常粒線體基因的受精卵的核,移植到帶有正常粒線體的受精卵的細胞質中,產生所謂的「三親寶寶」。
最近美國哈佛與麻省理工學院的研究團隊,終於開發出可以編輯粒線體基因的工具了。編輯粒線體基因之所以難,難在過去許多基因編輯系統都會切斷雙股DNA,但粒線體的DNA被切開後很容易分解,這是難處之一;難處之二則是如CRISPR系統雖然可以很方便的直接編輯其中一股,但CRISPR需要帶入一段RNA,而這段RNA可能無法通過粒線體的內膜。
那麼這次研究團隊是怎麼解決這些問題呢?他們發現了一種屬於伯克氏菌屬的細菌
Burkholderia cenocepacia 的毒性蛋白。這種毒性蛋白會把基因上的胞嘧啶(C,cytosine)直接改成尿嘧啶(U,uracil)。過去這類的蛋白質都只能在單股DNA上作用,但這個新的蛋白質卻可以在雙股DNA上直接進行序列的改變。
但是這個蛋白是毒性蛋白,如果直接轉入細胞,細胞會被它殺死。於是他們先把這種毒性蛋白切成兩半使它失去毒性,接著再把這切成兩半的毒性蛋白接上會辨認TALE DNA的蛋白質(TALE DNA-binding proteins),讓辨認TALE DNA的蛋白質帶領它到指定的序列去,接著這蛋白質就可以把它看到的C改成U了。
因為這個系統需要辨認TALE DNA的蛋白質,所以它在修改DNA的彈性上大大不如CRISPR(這個系統每次要修改一個新的基因,就要找一個新的TALE DNA辨認蛋白來接上去)。但是能修改粒線體DNA,已經是非常大的進步!目前研究團隊觀察到,在送入細胞後,有一半的粒線體基因可以被修改。研究團隊希望在將來,這個技術可以被應用在粒線體疾病的基因療法上。
參考文獻:
Mok BY, de Moraes MH, et al. A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing. Nature, 2020 DOI: 10.1038/s41586-020-2477-4