技术突破！北京大学团队开发出新线粒体碱基编辑器！
CRISPR Cas9基因编辑是目前流行的基因编辑技术，其原理是利用人工设计的引导RNA（gRNA）与Cas9核酸酶结合，靶向特定基因序列进行剪切和修饰。CRISPR/Cas系统经过进一步的改进和发展，将Cas9蛋白与具有脱氨酶活性的碱基修饰酶（例如APOBEC1、BE3、yABE7.10等）进行融合，则在近些年实现了对基因组DNA的单碱基编辑和修饰。
然而，由于难以将引导RNA递送到线粒体中，这一方法并不适用于线粒体 DNA （mtDNA）的编辑。线粒体作为细胞中种类繁多的细胞器之一，其地位十分特殊，它不仅作为细胞的“发动机”为细胞提供能量，还参与包括细胞凋亡、细胞周期调控、免疫应答等在内的一系列重要信号传递通路。线粒体还拥有自己的一套DNA，如果这套DNA出现异常，也可能引起多种疾病，如耳聋、视力受损、中枢神经系统疾病等。因此，开发能够编辑mtDNA的基因编辑技术意义十分重大。
目前，研究人员主要使用转录激活因子样效应子（transcription activator-like-effector，TALE）衍生的碱基编辑器来催化mtDNA的编辑。2018年，Mougous实验室在伯克霍尔德菌（Burkholderia cenocepacia）中发现了一种脱氨酶，由于能够在双链DNA上工作，因此命名为双链DNA脱氨酶（Double strand DNA deaminase，DddA）。之后，Mougous实验室与刘如谦实验室合作，将DddA与蛋白TALE结合，实现mtDNA的碱基从C到T的编辑。然而，这类碱基编辑器对序列的上下文有一定的要求，比如最初的碱基编辑器DdCBE只对跟在T之后的C有较高的编辑效率。
要突破这一局限，通常有两种方法，其一是工程化改造原有的编辑器，其二是寻找其他种类的编辑器。2022年，刘如谦等人通过噬菌体辅助进化的方法对DdCBE进行了升级，开发出了可以编辑跟在A、T、C之后的C的碱基编辑器。然而，跟在G之后的C仍没有适用的碱基编辑器。
近日，北京大学未来技术学院汪阳明实验室对多个来源于微生物的与DddA同源的双链脱氨酶进行了鉴定，并将其中一种成功改造成为线粒体碱基编辑器。2月16日，相关研究成果以“DddA homolog search and engineering expand sequence compatibility of mitochondrial base editing”为题发表于Nature Communications。
图1 研究成果（图源：[2]）
研究的第一作者、汪阳明实验室的博士生米黎在研究伯克霍尔德菌DddA的序列和结构时发现，在其羧基端（C端）包含两个SPKK相关肽基序，其中S代表丝氨酸（Serine）、P代表脯氨酸（Proline）、K代表赖氨酸（Lysine）。它们更喜欢在双链DNA的小沟中结合富含A/T的DNA序列。删除这两个基序将消除DddA的脱氨酶活性，添加与SPKK相关基序相似的基序，使之具有类似的DNA结合特性（即偏好A/T），则能够恢复DddA的脱氨酶活性。
图2 SPKK相关肽基序对DddA的脱氨活性十分重要（图源：[2]）
利用这一结果，研究人员对DddA的候选同源物进行了鉴定和筛选。研究人员注意到，一种来自于Simiaoa sunii的双链DNA脱氨酶（Ddd_Ss）在非TC序列上下文的情境下，具有广泛的脱氨活性。Simiaoa sunii是一种新近在中国温泉中被发现的细菌，属于芽孢杆菌科（Bacillaceae）的一个未知属，其命名源自于唐代医学家孙思邈。
使用不同DNA底物进行脱氨测定的结果证实，Ddd_Ss在面对紧跟着A、G、C或T之后的胞嘧啶残基都可以有效脱氨。这代表利用Ddd_Ss开发mtDNA 碱基编辑器将有望补上先前无法对紧跟G后的C进行编辑的缺口。
图3 Ddd_Ss对A、G、C或T之后的胞嘧啶残基都可以有效脱氨（图源：[2]）
基于此，研究人员开发了开发了源自Ddd_Ss的DdCBE，并实现了对来自 10 个线粒体基因的14 个mtDNA位点的高效编辑。另外值得注意的是，通过从Ddd_Ss引入单个氨基酸到伯克霍尔德菌的DddA，研究人员成功提高了基于后者的碱基编辑器的活性和序列相容性，这为之后开发新的线粒体碱基编辑器提供了指导意义。
这项研究对于当前mtDNA编辑技术实现了可以在GC上下文进行编辑的突破，同时还对拓展线粒体碱基编辑器的序列兼容性指出了参考方向。但需要注意的是，基于Ddd_Ss开发出的碱基编辑器仍然存在广泛的脱靶问题。未来，还需要更复杂的设计来实现mtDNA高效和高度特异性兼顾的碱基编辑。
责编|风立宵
校对|风立宵End
参考资料：
[1]未来技术学院汪阳明团队开发新的线粒体碱基编辑器本文系生物探索原创，欢迎个人转发分享。其他任何媒体、网站如需转载，须在正文前注明来源生物探索。
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