线粒体作为细胞能量的“供应站”，有着独立于细胞核的遗传物质——线粒体DNA(mtDNA)。mtDNA可能会携带导致疾病的突变并带来毁灭性的结果，对此，基因编辑可能是一种补救的方法。近日，两篇最新研究发现，在治疗线粒体DNA突变上，被誉为具有潜在革命性医疗工具的基因编辑工具CRISPR似乎毫无用武之地。相比之下，“老牌”基因编辑工具TALENs和ZFNs或可以纠正小鼠体内的线粒体DNA突变。
这些线粒体含有自己的DNA，但它们也可能携带导致疾病的突变
研究结果分别以 “Genome editing in mitochondria corrects a pathogenic mtDNA mutation in vivo”和“MitoTALEN reduces mutant mtDNA load and restores tRNAAla levels in a mouse model of heteroplasmic mtDNA mutation”为题发表在《Nature Medicine》杂志上。
研究表明，转录激活子样效应核酸酶（TALENs）和锌指核酸酶（ZFNs）这两种“老牌”的基因编辑工具可以大幅减少线粒体疾病小鼠体内有缺陷的mtDNA的数量，从而抵消这种突变的影响。这一原理验证结果或为线粒体疾病的首次治疗开辟了道路。
线粒体DNA (mtDNA)致病突变导致的遗传病每5000个成年人中就有1个患有，疾病症状从肌肉无力到心脏病不等。“如果将所有线粒体疾病结合起来，它们是人类遗传病最常见的原因之一，”领导其中一个研究小组的英国剑桥大学的分子生物学家Michal Minczuk说道。
备受争议的“三亲婴儿”方法可以保护儿童免受线粒体疾病的遗传，它涉及到用健康捐赠者的线粒体替换母体卵子中有缺陷的线粒体。但研究人员还没有发现任何针对有mtDNA遗传有缺陷患者的治疗方法。只要用基因编辑技术剪断突变的mtDNA，线粒体就会摧毁被切断的分子。此外，潜在的治疗可能不需要消除体内无数线粒体中所有有缺陷的mtDNA。领导另一个研究小组的佛罗里达迈阿密大学米勒医学院的线粒体生物学家Carlos Moraes指出，线粒体疾病患者的mtDNA拷贝中包含有害突变和无害突变，这两个变种之间的比例必须在症状出现之前达到一定的水平。“如果能把这个比例降低到阈值以下，临床表现可能就会消失。”
CRISPR基因编辑技术在编辑核DNA中发现的突变方面取得了快速进展，但研究人员难以将同样的技术应用于mtDNA，因为线粒体似乎不具备引导RNA的能力，无法让该工具按照正确的序列定位。
因此，这两个团队使用了另外两种“老牌”编辑方法——锌指核酸酶(ZFNs)和转录激活器样效应核酸酶(TALENs)。虽然这些系统比CRISPR更麻烦且功能更少，但它们也可以在特定位置切片DNA。
1、迈阿密大学——TALENs编辑系统
https://doi.org/10.1038/s41591-018-0166-8
两组研究人员利用无害的病毒载体，将DNA编辑蛋白的基因转移到突变小鼠的细胞中。在这种菌株中，一些mtDNA拷贝在一种转移RNA (tRNA)的基因编码中有突变，这种RNA有助于组装线粒体蛋白。这些动物的tRNA变种比正常少，尽管它们只会形成一种微妙的症状，即轻微的心脏异常。
在迈阿密大学的研究中，Moraes和他的同事Sandra Bacman，以及他们的团队将携带TALENs基因的病毒注射到每只动物右腿的肌肉中。作为对照，他们将缺少TALENs基因的病毒注射到左侧的同一块肌肉中。6个月后，接受TALENs治疗的肌肉中突变线粒体DNA数量减少了50%以上，受损DNA与正常DNA的比例低于通常会引起症状的50:50的阈值。
2、剑桥大学——ZFNs编辑系统
https://doi.org/10.1038/s41591-018-0165-9
在剑桥大学的研究中，Minczuk和他的博士后Payam Gammage以及他的同事们按同样的思路设计了ZFNs，并将携带病毒的载体注入小鼠的尾静脉。病毒载体一旦进入血液，就会进入心脏，而心脏也隐藏着有缺陷的mtDNA。65天后，当研究人员分析这些动物的心脏组织时，他们发现突变线粒体DNA的比例要低40%左右。
由于轻微的心脏异常很难被记录下来，研究人员使用分子指标来衡量治疗的成功程度。两组均确定突变小鼠中缺乏的tRNA水平在基因治疗后飙升。Minczuk的团队还测量了一些代谢分子，这些分子表明动物的线粒体工作得更好。
3、计划人体试验
研究人员一致认为，要在人体中应用该策略，他们必须确保TALEN和ZFN的基因以正确的量到达正确的组织。两个研究小组都表示计划进行人体安全性临床试验。
参考资料：1）Gene Editing Treats Mitochondrial Disorders in Mice
2）Zapping mutant DNA in mitochondria could treat major class of genetic disease
3）Researchers used TALENs and zinc finger nucleases to correct disease-causing mutations.
原标题：姜还是老的辣！两篇论文证明：“老牌”基因编辑技术纠正小鼠的线粒体DNA突变