Nature Biotechnology | 线粒体基因编辑迎来“超进化”：新型TALEDs效率飙升

生物探索 · 公众号 · 生物 · 2025-03-29 15:30

正文

请到「今天看啥」查看全文

传统的基因编辑工具，如CRISPR-Cas9系统，虽然在核DNA编辑方面取得了巨大的成功，但在应用于线粒体DNA编辑时面临着诸多挑战，例如难以将Cas9蛋白有效地递送到线粒体内部，以及可能造成的脱靶效应等。而TALEDs技术则巧妙地克服了这些难题。 TALEDs由两部分组成：一部分是能够特异性识别目标DNA序列的转录激活因子样效应子 (Transcription activator-like effector, TALE)，另一部分是具有碱基编辑功能的脱氨酶。通过将这两部分巧妙地连接在一起，TALEDs能够像一个精准的“导弹”，被引导至特定的线粒体DNA序列，并对其进行精确的修改。

TALEDs的核心优势在于其能够实现碱基编辑，即在不切断DNA双链的情况下，对单个碱基进行精确的转换。目前， TALEDs主要用于实现腺嘌呤（A）到鸟嘌呤（G）的转换，这种类型的编辑对于修复许多与线粒体疾病相关的突变至关重要。例如，Leber遗传性视神经病变 (Leber's hereditary optic neuropathy, LHON) 等疾病就与线粒体DNA中特定位点的A到G突变有关。因此，开发高效且安全的TALEDs技术，对于治疗这类疾病具有巨大的潜力。

解密TALEDs的“神操作”：DddA与BER的巧妙配合

尽管TALEDs在线粒体DNA编辑领域展现出了巨大的潜力，但研究人员对其具体的工作机制仍存在一些疑问。为了更深入地理解TALEDs是如何在线粒体中实现精准的碱基编辑的，并为进一步优化该技术提供理论指导，研究团队进行了一项深入细致的研究。

他们的研究发现，TALEDs介导的腺嘌呤（A）到鸟嘌呤（G）的编辑过程，并非TALEDs中的腺嘌呤脱氨酶 (adenosine deaminase) TadA8e直接作用的结果，而是巧妙地利用了细胞自身的一套DNA修复机制，即碱基切除修复 (base excision repair, BER) 通路。这个发现为我们揭示了TALEDs在线粒体中“精准替换”错误“字母”的分子奥秘。

具体来说，TALEDs的工作流程是这样的：首先，TALEDs中的双链DNA特异性胞嘧啶脱氨酶 (double-stranded DNA-specific cytidine deaminase, DddA) 会靶向线粒体DNA双链中的特定胞嘧啶（C），并将其脱氨转化为尿嘧啶（U）。这个U碱基的出现，就像在线粒体DNA上标记了一个“错误”，从而触发了细胞的BER通路。

TadA8e的“神来之笔”：单链DNA上的精准A-to-G编辑

一旦BER通路被激活，细胞内的尿嘧啶DNA糖苷酶 (uracil DNA glycosylase) 就会识别并切除这个错误的U碱基，从而在线粒体DNA链上产生一个单链的缺口 (single-stranded DNA region, ssDNA)。这个单链区域的形成至关重要，因为它为TALEDs中的关键酶——TadA8e (adenosine deaminase) 创造了发挥作用的“舞台”。

TadA8e是一种单链DNA特异性的腺嘌呤脱氨酶，它的“特长”是将单链DNA中的腺嘌呤（A）脱氨转化为次黄嘌呤（I）。在正常的DNA复制过程中，次黄嘌呤（I）会被细胞的复制机制错误地识别为鸟嘌呤（G），从而最终实现了从最初的A到G的碱基转换。

因此，整个编辑过程可以被形象地比喻为一场精心策划的“接力赛”：DddA首先在线粒体DNA上“制造”一个临时的“错误”（C到U的转换），BER通路中的尿嘧啶DNA糖苷酶识别并清除了这个“错误”，留下了单链的“空位”，最后，TadA8e抓住这个机会，在这个单链区域将目标腺嘌呤（A）转换为次黄嘌呤（I），最终在DNA复制后变成鸟嘌呤（G）。这项研究首次清晰地阐明了TALEDs在线粒体中进行碱基编辑的详细分子机制，为我们理解和优化这项技术奠定了坚实的基础。

性能全面升级：新型eTALEDs如何实现“超进化”？

既然我们已经深入了解了TALEDs在线粒体中的工作原理，那么如何才能进一步提升其编辑效率和安全性，使其更好地应用于疾病治疗呢？研究团队并没有满足于已有的发现，他们巧妙地利用对TALEDs工作机制的新认知，开发出了一系列性能更强大的增强型TALEDs (enhanced TALEDs, eTALEDs )。

为了提高起始步骤的效率，研究人员将TALEDs中原有的DddA酶替换成了一种活性更高的变体，称为 DddA6 。这种替换就像给“制造错误信号”的环节配备了一个更强劲的引擎，能够更快、更有效地将胞嘧啶转化为尿嘧啶，从而加速了后续BER通路的启动。

更具创新性的是，研究团队还尝试将人源的尿嘧啶DNA糖苷酶 (human uracil DNA glycosylase) 直接融合到TadA8e酶上。这种巧妙的设计就像给TadA8e配备了一个“精准导航系统”，使其能够更快速、更准确地找到并切除U碱基，从而进一步提高了A到G的编辑效率。他们将这些经过精心改造的TALEDs命名为 eTALED6s 。

为了进一步提升TALEDs的性能，研究人员还对TadA8e酶本身进行了工程改造，创造出了更高级的版本，称为