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線粒體是生物發電機。這些細胞能量工廠中遺傳物質的損傷不僅僅是消耗能量——它還會導致神經系統疾病，並破壞運動控制和視覺等身體核心功能。導致損傷的突變很少見，並且僅從母親傳給孩子。但是，在實驗室中檢查胚胎時，其災難性影響可能難以檢測和預防，因為遺傳異常在細胞之間通常不一致。一個細胞可能包含數百個不良線粒體，而下一個細胞可能根本不包含任何線粒體。
科學家們尚未找到一種有效的療法，可以修復受損的DNA，並使受影響的母親能夠生育無病的後代。現在，研究人員報告說，首次成功地在小鼠和人類細胞中透過一種有爭議的新基因編輯技術發現並去除了此類突變。
該方法利用稱為轉錄啟用因子樣效應核酸酶或TALENs的酶，它們成對工作，在母體卵子中尋找並切除特定的受損線粒體DNA序列，同時保留其他遺傳物質。“它們就像剪刀一樣，出去剪掉有問題的線粒體，”索爾克生物研究所的發育生物學家、一項新研究的資深作者Juan Carlos Izpisua Belmonte說，該研究使用了這種方法，發表在《細胞》雜誌上。
之前關於TALENs的研究表明，在青蛙、大鼠和豬以及人類體細胞和多能幹細胞中修飾基因方面具有前景。這些成功，以及該方法相對簡單，激發了人們使用它來克服將從母親傳給後代的線粒體突變的興趣。然而，這項新研究的出現，正值一批科學家呼籲暫停對人類胚胎進行基因組編輯，因為擔心其對生殖系細胞的潛在長期影響。
生殖系修飾是指在受精前對精子或卵子細胞核中的DNA或早期胚胎中未分化細胞的核DNA進行的改變，這些改變可能會傳遞給後代。當然，改變線粒體（包含37個基因）與改變精子或卵子不同。然而，由於線粒體改變是從母親傳給後代，並且可能影響多代人，因此它們可能會陷入類似的爭議中。
在最新的關於TALENs的論文中，研究人員顯然阻止了線粒體缺陷在兩代小鼠中的傳遞，否則這些小鼠將攜帶致病突變。這些小鼠似乎沒有症狀且健康，並且在行為測試中表現正常。此外，後代僅具有低水平的遺傳性線粒體突變，這表明後代也可能沒有太多有問題的缺陷。另外，研究團隊還設法減少了放入小鼠卵子的人類細胞中與疾病相關的線粒體突變的數量。
該技術的關鍵在於首先測試數百種不同的核酸酶，直到研究團隊找到正確的組合，能夠獨特地搜尋和剪除某些受損的線粒體DNA。由於這種基因編輯方法不能捕獲每一個突變的線粒體，它必須捕獲足夠多的線粒體才能預防疾病。但是，為了使這項工作在人類中取得進展，需要證明它僅影響突變的線粒體DNA，而不會損害胚胎產生的後代和未來幾代兒童基因組的其他部分。
Belmonte說，該程式因其相對簡單性而具有吸引力：核酸酶只需要注射到母親的卵子中一次，有可能與在標準體外受精程式期間在實驗室中引入精子的時間相同。但是，即使這種方法被證明對人類是安全的並獲得監管部門的批准，這仍然不意味著普通的生育診所能夠做到這一點，Sanford-Burnham醫學研究所幹細胞生物學和再生醫學中心主任Evan Snyder說。Snyder說，即使實際注射可能並不困難，“但這是一種非常複雜的手術，可能只能在少數幾個學術中心進行”，他沒有參與最近的研究。
目前，Belmonte的團隊正在進行人類胚胎研究，並計劃在實驗室進行基因組分析，以開始回答初步的安全問題。如果基因組的其他地方正在發生變化，或者細胞不健康（例如，心肌細胞沒有表現出良好的收縮），這些將是早期的危險訊號。
然而，編輯胚胎的基因組——即使它們沒有植入女性體內，因此不會成為胎兒——也引起了一些研究人員的擔憂，他們公開呼籲暫停此類工作，直到就其潛在影響進行更具體的討論。最近，一個由五名研究人員組成的小組，他們在不需要改變精子或卵子的研究中使用基因組編輯技術，在3月12日發表在《自然》雜誌上的一篇評論中呼籲暫停對人類胚胎進行基因編輯研究。“此類研究可能被用於非治療性修改。我們擔心公眾對這種倫理違規行為的強烈抗議可能會阻礙一個有希望的治療發展領域，”他們警告說。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
“雖然生殖系工程和線粒體工程之間存在重要差異，但我的目標不是分析這些差異。我們的目標是呼籲召開會議，以便我們可以進行廣泛的討論，”Sangamo BioSciences, Inc.總裁兼執行長、《自然》雜誌評論的第一作者Edward Lanphier說。“圍繞線粒體基因組編輯的問題增加了討論的緊迫性。”
Snyder說：“我個人對非常具體且被接受的針對非常具體的致病問題的修改沒有異議”，但應該成立一個科學評估機構，以根據具體情況或逐個基因的基礎評估每個擬議的生殖系修改。該模型將讓人想起20世紀70年代重組DNA研究的評估方式。他說，這個過程可能很漫長，但如果沒有它，科學家可能無法全面瞭解此類程式對壽命、認知功能和運動耐受性等領域的潛在意外影響。
除了使用TALENs或類似的基因組編輯技術來預防突變線粒體DNA的傳遞外，科學家們目前正在考慮另一種選擇，以幫助患有線粒體突變的母親生育無病、生物學相關的後代：線粒體替代療法。這種方法，俗稱“三親嬰兒”，也存在爭議，需要另一位女性捐贈一個不含突變線粒體DNA的卵子。然而，該卵子的細胞核被母親的核DNA取代。卵子在實驗室環境中與父親的精子受精，並將由此產生的胚胎轉移到準母親的子宮中。
線粒體替代療法尚未獲得在美國或英國使用的許可，目前世界上只有少數科學家能夠進行這種療法。但是，TALENs和線粒體替代療法都面臨一個類似的障礙：需要研究基因組，並觀察多代實驗動物及其器官的功能，以確保這些方法不會引起任何無法預見的問題。