变废为宝！研究发现神奇细菌毒素 有望首次实现线粒体基因编辑

 

细菌武器在人类细胞中有着意想不到的用途。

科学家在7月8日的《自然》在线版上报道，一种细菌分泌的杀死其他微生物的蛋白质被重新设计，以改变其他基因编辑器无法编辑的DNA。

这一进展为将来修复线粒体突变铺平了道路。

线粒体，这些能产生能量的细胞器遗传自母亲，有自己的DNA，不同于遗传信息，存储在细胞核中。

“我做线粒体生物学家已经25年了，我认为这是这一领域极其重要的进步，”霍华德·休斯医学研究所研究员Vamsi Mootha说。

线粒体DNA突变会导致150多种不同的综合征，每年会影响1000到4000名在美国出生的儿童。

一种称为碱基编辑器的新技术，可以将DNA碱基(以字母A、C、G和T表示)改变为CRISPR相关蛋白Cas9的修改版本。

这些编辑器用化学方法将一个DNA碱基转化为另一个DNA碱基，基本上修复了可能导致疾病的编码错误。

然而，这项技术只对细胞核中的DNA有效，对线粒体无效。

洋葱伯克霍尔德菌(Burkholderia cenocepacia)分泌的毒素出人意料地被证明是创建一个线粒体友好的碱基编辑器所需的解决方案。

西雅图华盛顿大学的微生物学家马科斯·德·莫拉埃斯推断，这种毒素是通过引起破坏性的DNA突变来杀死细菌的。但几个月来，他无法在分子水平上解释这一过程是如何进行的。就在他即将离开这个项目的时候，一个深夜的实验让一切尘埃落定。

他很早就怀疑这种毒素蛋白附着在DNA上，并修改了一个DNA字母胞嘧啶(C)，使其与另一个不同的字母胸腺嘧啶(T)相似。

但是de Moraes从那个决定性的深夜实验中学到的是，与所有其他的胞质转化蛋白不同，这种毒素改变双链DNA而不是单链DNA。

到目前为止，碱基编辑器已经使用像Cas9这样的蛋白质在做出改变之前将目标DNA撬开成单链。但是这些蛋白质功能所需的RNA片段不能进入线粒体。

基于洋葱伯克霍尔德菌(Burkholderia cenocepacia)毒素的碱基编辑器对双链DNA起作用，不再需要依赖Cas9。

然而，这种新的胞嘧啶转换酶对哺乳动物细胞的致命程度不亚于它对细菌猎物的致命程度。

研究员David Liu说，“驯服猛兽”的第一步是修改毒素，这样它就不会不加区分地混淆双链DNA。

研究人员将蛋白质分成无毒部分;只有当这两个片段被带到相同的DNA位点时，它们才会将胞嘧啶转变为胸腺嘧啶。

佛罗里达迈阿密大学(University of Miami)的线粒体生物学家卡洛斯·莫拉埃斯(Carlos Moraes)没有参与这项研究，他说:“这项研究非常出色。”

为了控制两半酶的活性，研究人员附加了TALE蛋白质，这是一种可以选择用于特定DNA片段的蛋白质短片段。

在细胞培养实验中，线粒体编辑器成功地在指定的线粒体DNA位置将胞嘧啶转化为胸腺嘧啶，效率从5%到49%不等。

未来的工作将着眼于提高效率，开发能够产生其他DNA碱基变化的新型线粒体编辑器，以及观察线粒体基因编辑是否在动物身上起作用。

“这只是第一步，”Shoukhrat Mitalipov说，他是波特兰俄勒冈健康与科学大学的线粒体生物学家，并没有参与这项工作。

“但方向是正确的。”

原文来源：

https://www.sciencenews.org/article/mitochondria-gene-editing-bacterial-toxin-crispr

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