长期被CRISPR拒之门外的线粒体DNA，终于迎来突破。新型无CRISPR编辑技术或将治愈致命的线粒体疾病，重写人类医疗的未来。
在细胞的深处，存在一个古老而神秘的能量工厂——线粒体。它维持着生命的燃烧，却也藏着致命的缺陷：一旦内部DNA出错，人类便可能陷入无法治愈的疾病。而如今，科学家们正站在修复这一生命核心的门前。
CRISPR基因编辑技术已经彻底改变了生物学的世界，从镰状细胞贫血到血癌，从多细胞生命的起源到蛋白质的隐秘功能，它几乎无所不能。但有一个地方，它始终无法触及——线粒体。
线粒体内部的DNA呈环状，被紧密包裹在双层膜之后，像一道坚不可摧的城墙。CRISPR依赖RNA引导酶切割特定的DNA序列，但RNA分子根本进不去。正如剑桥大学的遗传学家Michal Minczuk所言：“十二年前，CRISPR点燃了基因革命的火焰，但线粒体错过了那一场爆炸。”
然而，科学家没有放弃。线粒体掌管细胞能量的生成，也参与新陈代谢的无数环节。它的基因一旦突变，便会引发超过300种罕见疾病——有的让人失明、失聪，有的让肌肉崩解、癫痫频发。这些疾病影响着每5000人中的一位，却几乎无药可医。
韩国KAIST的化学生物学家Jin-Soo Kim说：“过去几年，我们终于开始看到真正的进展。线粒体基因编辑的工具正在成熟——这将是一场医学革命。”
追溯线粒体的起源，要回到15亿年前。那时，一个古老的单细胞生物吞噬了一只自由生活的细菌，后者并未被消化，反而在宿主细胞内安家。那就是真核生物的诞生。这个“被吞噬的细菌”逐渐丢弃了大部分基因，只留下37个用于能量生产的核心基因，成为今日的线粒体。
与拥有两万多个基因的核DNA不同，线粒体DNA仅有一丁点，却非常脆弱。它没有保护性的组蛋白，暴露在能量反应产生的自由基中，受损率比核DNA高出十几倍。更糟的是，它几乎没有修复机制——当核DNA能“修剪并修补”错误时，线粒体只能“扔掉损坏的部分”。
这种先天缺陷，让任何针对它的编辑都变得异常艰难。德克萨斯大学的分子生物学家Stephen Ekker形容：“一旦你尝试修改它，就会发现那股细菌血统的顽固本性。”
科学家们另辟蹊径。早在CRISPR诞生之前，研究者就尝试用其他工具“潜入”线粒体，切除有缺陷的DNA。每个细胞都含有上千个线粒体，而每个线粒体内又有多份DNA——健康与突变版本并存，这种状态被称为“异质性”。当突变DNA的比例超过60%至80%，疾病便会显现。
于是研究者设计出锌指核酸酶(ZFNs)和转录激活因子样效应核酸酶(TALENs)——这些酶能精准切断线粒体DNA中的错误片段。与核DNA不同，线粒体被切断后不会修复错误，而是直接丢弃那段基因。剩下的健康拷贝则快速复制，弥补空缺。
“就像修剪坏枝条，好的部分自然会重新生长。”迈阿密大学的遗传学家Carlos Moraes解释道。
这种方法在实验中已能降低突变DNA比例，但仍停留在实验室阶段。更棘手的是，对于那些所有DNA拷贝都带有突变的疾病——比如导致视力迅速丧失的Leber遗传性视神经病——这种“剪切修正”毫无用武之地。科学界迫切需要一种能不依赖RNA、又能精准修改碱基的新工具。
2012年，CRISPR-Cas9横空出世，成为基因编辑的万能钥匙。它由RNA引导酶切割特定DNA，再借助细胞自身的修复机制重写基因。2016年，美国Broad研究所的David Liu更进一步，发明了“碱基编辑”技术——不再切断DNA，而是像修改文字一样，直接将一个字母(如C)变成另一个字母(如T)。
然而，这一切在面对线粒体时依然无能为力。RNA进不去那道膜，所有尝试都以失败告终。
直到2018年，一个偶然的发现改变了局面。美国华盛顿大学的微生物学家Joseph Mougous研究一种名为Burkholderia cenocepacia的细菌时，发现它能分泌一种奇特的酶——DddA，这种酶能把细菌DNA中的C大量转变为T，是一种“分子武器”。
Mougous给David Liu发了一封邮件，问这东西有没有用。Liu回忆道：“我立刻意识到，这可能就是我们梦寐以求的线粒体碱基编辑工具！”
但问题也随之而来——如果任由DddA发挥作用，细胞的DNA将被彻底摧毁。于是Liu团队灵机一动，将它一分为二，变成两段“沉睡”的酶，只有在正确的方向和位置上重新组合，才会启动反应。
更妙的是，他们用TALENs蛋白取代了RNA，引导这两段酶精确地进入线粒体目标序列。这样，一种不依赖CRISPR、不靠RNA的新型编辑系统诞生了。
从那一刻起，人类第一次真正拥有了“进入线粒体的钥匙”。这种技术仍在发展，但它让科学家看到了治愈遗传性线粒体疾病的希望。
或许在不久的将来，我们能像修复文字的错别字一样，改正生命深处那一处微小却致命的拼写错误。届时，燃烧生命的引擎，将再次运转得完美无瑕。
本文译自 nature，由 BALI 编辑发布。
