这篇文章刊载于《Discover》杂志的年度科学现状特刊，题为“编辑线粒体”。通过成为《Discover》杂志的订阅者来支持我们的科学新闻报道。
一项新技术终于打开了基因编辑的最后一个前沿领域：线粒体。线粒体是为我们细胞提供能量的微型细胞器，它们拥有少量自己的遗传信息。
到目前为止，基因编辑工具 CRISPR 无法在细胞的这一部分发挥作用；CRISPR 使用向导 RNA 来寻找目标，但 RNA 无法进入线粒体。其他基因编辑方法依赖于简单地切割线粒体 DNA（mtDNA）——而不是编辑它。有了这种新工具，来自 Broad Institute、哈佛大学和霍华德·休斯医学研究所的化学生物学家 David Liu 已经找到了实际改变线粒体基因组的方法。
这种新的编辑工具源自一种名为 DddA 的细菌毒素，由华盛顿大学医学院的微生物学家 Marcos de Moraes 发现。该毒素引发一种反应，将一个核苷酸——DNA 的组成单元——转化为另一个。如果随意发生，这种改变可能对细胞致命。但研究人员能够利用这种能力进行定向基因编辑。
刘说，最终的结果是“一个相当鲁布·戈德堡式的蛋白质”。这种基因编辑器包含许多蛋白质部分，包括一个将编辑器递送到线粒体内的部分，一个指示要靶向哪个基因的部分，以及一个帮助提高编辑效率的部分。还有毒素本身，它负责编辑核苷酸。
该过程的关键在于找到一种方法，在毒素穿过细胞时使其失活，以确保它不会造成任何意外伤害。该团队通过将毒素分成两半来实现这一点；一旦进入线粒体，这两个部分就会在目标基因编辑位点重新组合，这一过程由刘实验室的研究生 Beverly Mok 开创。
目前，这种基因编辑器存在一些局限性。例如，它只能作用于特定的核苷酸。刘说，他的实验室正在研究其他毒素，这些毒素可能会扩展编辑器的功能。他还希望提高编辑效率，目前最好的效率约为 50%。尽管存在当前的局限性，但该工具精确的编辑能力将使科学家们能够以前所未有的方式在实验室中研究线粒体疾病——也许有一天甚至可以治愈它们。
mtDNA 逃不过这种编辑器的追踪
（图片来源：杰伊·史密斯）
杰伊·史密斯
1：我们体内几乎每个细胞都有称为线粒体的微小细胞器。2：作为细胞的能量工厂，线粒体产生我们身体用于能量的分子。它们也有自己的 DNA，独立于位于细胞核中的其余基因组。科学家认为它们曾是与我们的细胞建立共生关系的细菌。随着时间的推移，它们失去了独立生存的能力，并与我们的身体永远纠缠在一起。3：与我们体内的其他 DNA 不同，线粒体基因组呈环状。它也很小，只包含 37 个基因。mtDNA 的突变是导致许多罕见、危险的遗传疾病的原因。与我们细胞中的其他 DNA 一样，mtDNA 由核苷酸对组成。所有基因仅由四种分子构成：腺嘌呤 (A)，只能与胸腺嘧啶 (T) 配对；胞嘧啶 (C)，只能与鸟嘌呤 (G) 配对。另一种核苷酸尿嘧啶 (U) 在功能上等同于胸腺嘧啶，尽管它通常用于细胞中的其他分子，而不是 DNA。这些核苷酸对的特定顺序就是我们基因的编码。
4：该实验室的创造依赖于一种特殊的细菌毒素 DddA，它与其他一些分子机械协同工作，帮助将编辑器送入线粒体并到达正确的 DNA 区域。改变 DNA 链中一个单一的 A、T、C 或 G 就可以将一个基因完全改变为另一个。DddA 首先在 mtDNA 中定位一个特定的 C（绿色）-G（黄色）对。5：DddA 毒素随后开始工作，首先将一个 C（绿色）转化为非 DNA 核苷酸 U（粉色）。6：新的 U（粉色）现在与 G（黄色）相对，但这两种不能配对。细胞会检测到这个错误并进行编辑。有时细胞会放回 C，使基因恢复到原始状态。有时细胞会将 G 替换为 A（蓝色），留下 U-A 配对——从而形成一个新的基因。
7：有时细胞会进行更多的清理，将 U（通常不在 DNA 中找到）替换为功能上等同且适用于 DNA 的 T（粉色）。最终目标是得到一个 U-A 或 T-A 核苷酸对，而以前是 C-G——从而产生一个不同的基因。—— ANNA FUNK
