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线粒体是生物发电机。这些细胞能量工厂中遗传物质的损伤不仅仅是消耗能量——它还会导致神经系统疾病，并破坏运动控制和视觉等身体核心功能。导致损伤的突变很少见，并且仅从母亲传给孩子。但是，在实验室中检查胚胎时，其灾难性影响可能难以检测和预防，因为遗传异常在细胞之间通常不一致。一个细胞可能包含数百个不良线粒体，而下一个细胞可能根本不包含任何线粒体。
科学家们尚未找到一种有效的疗法，可以修复受损的DNA，并使受影响的母亲能够生育无病的后代。现在，研究人员报告说，首次成功地在小鼠和人类细胞中通过一种有争议的新基因编辑技术发现并去除了此类突变。
该方法利用称为转录激活因子样效应核酸酶或TALENs的酶，它们成对工作，在母体卵子中寻找并切除特定的受损线粒体DNA序列，同时保留其他遗传物质。“它们就像剪刀一样，出去剪掉有问题的线粒体，”索尔克生物研究所的发育生物学家、一项新研究的资深作者Juan Carlos Izpisua Belmonte说，该研究使用了这种方法，发表在《细胞》杂志上。
之前关于TALENs的研究表明，在青蛙、大鼠和猪以及人类体细胞和多能干细胞中修饰基因方面具有前景。这些成功，以及该方法相对简单，激发了人们使用它来克服将从母亲传给后代的线粒体突变的兴趣。然而，这项新研究的出现，正值一批科学家呼吁暂停对人类胚胎进行基因组编辑，因为担心其对生殖系细胞的潜在长期影响。
生殖系修饰是指在受精前对精子或卵子细胞核中的DNA或早期胚胎中未分化细胞的核DNA进行的改变，这些改变可能会传递给后代。当然，改变线粒体（包含37个基因）与改变精子或卵子不同。然而，由于线粒体改变是从母亲传给后代，并且可能影响多代人，因此它们可能会陷入类似的争议中。
在最新的关于TALENs的论文中，研究人员显然阻止了线粒体缺陷在两代小鼠中的传递，否则这些小鼠将携带致病突变。这些小鼠似乎没有症状且健康，并且在行为测试中表现正常。此外，后代仅具有低水平的遗传性线粒体突变，这表明后代也可能没有太多有问题的缺陷。另外，研究团队还设法减少了放入小鼠卵子的人类细胞中与疾病相关的线粒体突变的数量。
该技术的关键在于首先测试数百种不同的核酸酶，直到研究团队找到正确的组合，能够独特地搜索和剪除某些受损的线粒体DNA。由于这种基因编辑方法不能捕获每一个突变的线粒体，它必须捕获足够多的线粒体才能预防疾病。但是，为了使这项工作在人类中取得进展，需要证明它仅影响突变的线粒体DNA，而不会损害胚胎产生的后代和未来几代儿童基因组的其他部分。
Belmonte说，该程序因其相对简单性而具有吸引力：核酸酶只需要注射到母亲的卵子中一次，有可能与在标准体外受精程序期间在实验室中引入精子的时间相同。但是，即使这种方法被证明对人类是安全的并获得监管部门的批准，这仍然不意味着普通的生育诊所能够做到这一点，Sanford-Burnham医学研究所干细胞生物学和再生医学中心主任Evan Snyder说。Snyder说，即使实际注射可能并不困难，“但这是一种非常复杂的手术，可能只能在少数几个学术中心进行”，他没有参与最近的研究。
目前，Belmonte的团队正在进行人类胚胎研究，并计划在实验室进行基因组分析，以开始回答初步的安全问题。如果基因组的其他地方正在发生变化，或者细胞不健康（例如，心肌细胞没有表现出良好的收缩），这些将是早期的危险信号。
然而，编辑胚胎的基因组——即使它们没有植入女性体内，因此不会成为胎儿——也引起了一些研究人员的担忧，他们公开呼吁暂停此类工作，直到就其潜在影响进行更具体的讨论。最近，一个由五名研究人员组成的小组，他们在不需要改变精子或卵子的研究中使用基因组编辑技术，在3月12日发表在《自然》杂志上的一篇评论中呼吁暂停对人类胚胎进行基因编辑研究。“此类研究可能被用于非治疗性修改。我们担心公众对这种伦理违规行为的强烈抗议可能会阻碍一个有希望的治疗发展领域，”他们警告说。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
“虽然生殖系工程和线粒体工程之间存在重要差异，但我的目标不是分析这些差异。我们的目标是呼吁召开会议，以便我们可以进行广泛的讨论，”Sangamo BioSciences, Inc.总裁兼首席执行官、《自然》杂志评论的第一作者Edward Lanphier说。“围绕线粒体基因组编辑的问题增加了讨论的紧迫性。”
Snyder说：“我个人对非常具体且被接受的针对非常具体的致病问题的修改没有异议”，但应该成立一个科学评估机构，以根据具体情况或逐个基因的基础评估每个拟议的生殖系修改。该模型将让人想起20世纪70年代重组DNA研究的评估方式。他说，这个过程可能很漫长，但如果没有它，科学家可能无法全面了解此类程序对寿命、认知功能和运动耐受性等领域的潜在意外影响。
除了使用TALENs或类似的基因组编辑技术来预防突变线粒体DNA的传递外，科学家们目前正在考虑另一种选择，以帮助患有线粒体突变的母亲生育无病、生物学相关的后代：线粒体替代疗法。这种方法，俗称“三亲婴儿”，也存在争议，需要另一位女性捐赠一个不含突变线粒体DNA的卵子。然而，该卵子的细胞核被母亲的核DNA取代。卵子在实验室环境中与父亲的精子受精，并将由此产生的胚胎转移到准母亲的子宫中。
线粒体替代疗法尚未获得在美国或英国使用的许可，目前世界上只有少数科学家能够进行这种疗法。但是，TALENs和线粒体替代疗法都面临一个类似的障碍：需要研究基因组，并观察多代实验动物及其器官的功能，以确保这些方法不会引起任何无法预见的问题。