线粒体基因治疗遗传病有一手

这些线粒体含有自己的DNA，但它们也携带导致疾病的突变。

照片来源:CNRI/科学资源

被誉为潜在革命性医疗工具的基因组编辑CRISPR并非万能。线粒体，一种为细胞提供能量的细胞器，有自己的线粒体DNA(mtDNA)，那里的突变会产生毁灭性的后果，包括耳聋、癫痫和肌肉无力。

最近发表在《自然医学》杂志上的两项研究表明，两种旧的基因组编辑工具可以减少患有线粒体疾病的小鼠的mtDNA缺陷，从而抵消突变的影响。这一原则的循证结果可能为第一种线粒体疾病疗法的发展开辟道路。"这些发现非同寻常，甚至使得在人类身上进行相关实验成为可能."哥伦比亚大学欧文医学中心的线粒体生物学家马丁·皮卡德没有参与上述工作，他说。

然而，将这些成就转化为治疗是非常困难的。编码基因组编辑器的基因必须由病毒引入，研究人员一直在努力使类似的基因疗法奏效。明尼苏达州梅奥诊所的分子遗传学家斯蒂芬·埃克与这两项研究都无关，他说，“最新的研究结果可以随时在人类身上得到验证。”事实上，这两个团队已经在准备开始临床试验。

作为“定居”在早期真核细胞中的古细菌的后代，线粒体有自己的小基因组和一组独特的蛋白质，这些蛋白质不是由细胞核中的基因编码的。每个细胞可以包含成千上万个这样的细胞器，mtDNA的突变可以导致一系列疾病。“如果你把所有线粒体疾病放在一起，你会发现它们是人类遗传疾病最常见的原因之一。”英国剑桥大学的分子生物学家迈克尔·明丘克领导了一个研究小组，他说。

有争议的“三亲婴儿”方法可以保护儿童免受遗传性线粒体疾病的侵害。它包括用健康捐赠者的线粒体替换母亲卵子中有缺陷的线粒体。然而，研究人员还没有为遗传了错误mtDNA的患者找到任何治疗方法。"有许多需求没有得到满足。"埃克说。

切割突变的DNA可能是有用的，因为线粒体会破坏被切断的分子。更重要的是，这种潜在的疗法可能不需要消除无数线粒体中所有有缺陷的mtDNA。迈阿密大学米勒医学院的线粒体生物学家卡洛斯·莫赖斯说，患有线粒体疾病的父母携带的mtDNA拷贝可能含有也可能不含有有害突变，两种突变的比例必须在症状出现前达到一定水平。"如果你能把这个比率降低到阈值以下，临床表现可能会消失."

然而，CRISPR不是一个选项。它依靠核糖核酸链来引导蛋白质将脱氧核糖核酸切割到基因组中的正确位置，大多数研究人员怀疑线粒体可以吸收这些引导核糖核酸。为此，这两个团队将时钟拨回到CRISPR之前的时代，并测试了另外两种编辑方法——锌指核酸酶(ZFNs)和转录激活因子样效应核酸酶(TALENs)。这两种方法都包括设计用来引导目标跟踪的脱氧核糖核酸剪切蛋白，而没有引导核糖核酸。尽管这些系统比CRISPR更麻烦，功能也不如CRISPR，但它们也能在特定位置切割DNA。

两组研究人员使用一种被认为无害的病毒样病毒将负责编辑DNA蛋白质的基因转移到突变小鼠的细胞中。在这种菌株中，一些mtDNA拷贝在编码转移核糖核酸(tRNA)的基因中产生突变，这种核糖核酸有助于组装线粒体蛋白质。与正常小鼠相比，突变小鼠的tRNA较少，尽管它们只表现出轻微的心脏异常。

Moraes和同事sandrabaman及其团队成员将携带TALENs基因的病毒注射到每只老鼠右侧的腿部肌肉中。作为对照，他们将缺乏TALENs基因的病毒注射到左侧的同一块肌肉中。六个月后，在注射了TALENs基因的肌肉中，突变的线粒体DNA的数量减少了一半以上，而受损DNA与正常DNA的比例降低了50:50的阈值，这通常会产生症状。

Minczuk和博士后Payam Gammage和他们的同事设计了等效的ZFNs，并将携带它们的病毒注入小鼠的尾静脉。一旦进入血液，这些病毒将传播到心脏，心脏也含有有缺陷的mtDNA。当科学家在65天后分析这些动物的心脏组织时，他们发现突变的线粒体DNA比例下降了大约40%。

由于轻微的心脏异常很难记录，研究人员使用分子指标来衡量治疗的成功。两个小组都确定了在突变小鼠中很少的tRNA在基因治疗后增殖。明丘克的团队还测量了一些代谢分子，这些分子在老鼠身上表现出更好的线粒体性能。

研究人员认为，为了将这一策略应用于人类，他们必须确保TALENs和zfn的基因以正确的数量到达正确的组织。无论如何，莫赖斯说他和他的同事正试图在mtDNA突变患者中组织该方法的安全性测试。这将最早在明年开始。明丘克说，他的团队也希望开始临床试验，但目前没有时间表。(宗华)

相关论文信息:DOI:10.1126/science.aav5152

中国科学新闻(2018-10-09第三版国际版)