來源:iNature(ID:Plant_ihuman)
線粒體DNA(mtDNA)被細胞器膜包裹,形成了基於CRISPR的基因編輯工具訪問mtDNA的屏障。最近的研究將DdCBE定位為一種有前途的科技,可以在哺乳動物mtDNA中安裝靶向突變或引入堿基轉換的可遺傳突變。DdCBE的脫靶特徵仍有待通過進一步的研究來全面研究,以瞭解它們對mtDNA和核基因組的系統影響。
2022年3月18日,中國農業科學院深圳農業基因組研究所左二偉、中國科學院腦科學與智慧科技卓越創新中心楊輝、上海腦科學與類腦研究中心/臨港國家實驗室胥春龍、上海交通大學章美玲共同通訊在Cell Discovery(IF=11)線上發表題為“Mitochondrial base editor DdCBE cause substantial DNA off-target editing in nuclear genome of embryos”的研究論文,該研究使用GOTI方法(點擊閱讀),以評估DdCBE對mtDNA和核DNA修飾的脫靶效應。該研究首次展示了DdCBE在整個核基因組中導致數千個脫靶SNV,這些SNV富含C-to-T/G-to-A轉換,這是低保真堿基編輯器BE3產生的SNV數的兩倍。
總之,該研究發現DdCBE對核基因組具有廣泛的脫靶效應,强烈需要優化DdCBE以在mtDNA上進行特定的堿基編輯,特別是在用於治療線粒體疾病之前。
另外,2022年2月1日,上海交通大學章美玲,李文及中國科學院腦科學與智慧科技卓越創新中心楊輝共同通訊在Cell Discovery線上發表題為“Human cleaving embryos enable efficient mitochondrial base-editing with DdCBE”的研究論文,該研究表明,DdCBE是一種有效的堿基編輯器,可在人類胚胎mtDNA中誘導點突變,並且在8細胞胚胎中的效率要高得多。鑒於旁觀者和脫靶編輯特徵,DdCBE仍有待進一步優化用於未來的基礎和治療研究。
2022年2月1日,南京醫科大學許爭鋒、沈斌及淩秀鳳共同通訊在Cell Discovery線上發表題為“DdCBE-mediated mitochondrial base editing in human 3PN embryos”的研究論文,該研究首次證明了在人類3PN胚胎中進行DdCBE介導的線粒體堿基編輯的可行性,表明在人類早期胚胎階段進行致病性mtDNA突變校正的可能性。理論上,DdCBE可以糾正mtDNA中的一系列致病性A ∙ T-to-G ∙ C突變,從而達到治療效果。儘管在3PN mtDNA中檢測到的脫靶編輯可能不足以產生錶型,但當前的線粒體堿基編輯策略需要進一步優化以滿足任何臨床應用的需求。
2020年7月8日,博多研究所David R. Liu及華盛頓大學醫學院Joseph D. Mougous共同通訊在Nature線上發表題為“A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing”的研究論文,該研究描述了一種細菌間毒素,將其命名為DddA,它可以催化dsDNA中胞苷的脫氨。該研究設計了無毒且無活性的split-DddA半分子:DddA分割的一部分結構域(轉錄啟動子樣效應子陣列蛋白)和尿嘧啶糖基化酶抑制劑的融合,產生了無RNA的DddA衍生的胞嘧啶堿基編輯器(DdCBE),可催化人mtDNA中的C•G到T•A轉化,具有高靶標特异性和產品純度。該研究使用DdCBEs建模人類細胞中與疾病相關的mtDNA突變,從而導致呼吸速率和氧化磷酸化的改變。不含CRISPR的DdCBE可以精確操縱mtDNA,而不是消除因被靶向核酸酶切割而產生的mtDNA拷貝,這對線粒體疾病的研究和潜在治療具有廣泛的意義(點擊閱讀)。
線粒體DNA(mtDNA)被細胞器膜包裹,形成了基於CRISPR的基因編輯工具訪問mtDNA的屏障。此外,在ZFN、TALEN等可程式設計核酸酶誘導雙鏈斷裂後,線粒體基因組缺乏類似的修復系統來保護核基因組免受DNA損傷,這導致靶標mtDNA的消除而不是mtDNA上的突變安裝,與核DNA上插入缺失形成的結果形成對比。
最近的研究將DdCBE定位為一種有前途的科技,可以在哺乳動物mtDNA中安裝靶向突變或引入堿基轉換的可遺傳突變,而不是用以前的基於ZF或TALE的核酸酶消除它們。囙此,DdCBE有可能類比線粒體疾病突變、糾正致病變異並擴展對線粒體生物學的瞭解。然而,值得一提的是,這些研究發現,DdCBE可以在mtDNA上引起低頻率的脫靶事件。如前所述,DdCBE的脫靶特徵仍有待通過進一步的研究來全面研究,以瞭解它們對mtDNA和核基因組的系統影響。
使用GOTI對DdCBE進行線粒體和核基因組編輯的脫靶分析(圖源自Cell Discovery)
該研究使用之前開發的GOTI方法,以評估DdCBE對mtDNA和核DNA修飾的脫靶效應。該研究首次展示了DdCBE在整個核基因組中導致數千個脫靶SNV,這些SNV富含C-to-T/G-to-A轉換,這是低保真堿基編輯器BE3產生的SNV數的兩倍。與BE3蛋白中的胞嘧啶脫氨酶APOBEC1對ssDNA的底物偏好不同,DdCBE蛋白中的DddAtox是一種以dsDNA為底物的獨特類型的胞嘧啶脫氨酶。它可能解釋了DdCBE比BE3觀察到的更多脫靶SNV。
總之,該研究的DdCBE對核基因組的脫靶活性的發現,强烈需要優化DdCBE以在mtDNA上進行特定的堿基編輯,特別是在用於治療線粒體疾病之前。
參考消息:
https://www.nature.com/articles/s41421-022-00391-5
https://www.nature.com/articles/s41421-021-00358-y
https://www.nature.com/articles/s41421-021-00372-0
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2477-4