文｜《中國科學報》記者張晴丹

一個稀鬆平常的临毕论文上午，張小雪一如既往地埋在一堆實驗器材中，业被克隆、决定轉染細胞、再拼收細胞、次新高通量測序……當她正熟練地操作這些流程時，闻科同組的学网伊宗裔帶來了一個“噩耗”：“韓國課題組實現了線粒體的腺嘌呤堿基編輯，文章已經發了！读博”

猶如晴空霹靂，临毕论文張小雪隻覺那一天無比漫長，业被她感到前所未有的决定迷茫。彼時已經是再拼她在北京大學讀博的第五年，她為了這個課題還延了一年，次新畢業壓力可想而知。闻科

“說實話，很沮喪，但那時候我們已經拿到比較好的數據，放棄太可惜了。雖然失了先機，但我想盡量把這項研究做得更全。已經走到這一步，我想給自己一個交代，至少讓我能畢業吧。”懷揣著如此“卑微”的心願，張小雪決定再拚一次。

之後，張小雪頂住壓力，又開始重複著每天朝九晚十一的科研生活。最終成果發表在2023年的Nature Biotechnology雜誌上。

後來也是在北京大學教授魏文勝和博士後伊宗裔的指導與合作下，今年1月23日，張小雪以唯一一作的身份成功在Nature上發表論文。他們開發出新一代線粒體堿基編輯器，助力疾病動物模型的建立。

張小雪

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補齊那塊缺失的拚圖

基因組的很多點突變都與疾病相關，所以自CRISPR係統問世以來，科研人員就致力於堿基編輯工具的發展，希望可以治療疾病。科研人員也利用CRISPR係統開發了很多種核基因組的堿基編輯器，比如利用單鏈DNA脫氨酶實現A到G以及C到T的堿基編輯，也就是比較熟知的腺嘌呤堿基編輯器和胞嘧啶堿基編輯器。

“線粒體作為人體細胞內的半自主細胞器，擁有自己的基因組。線粒體基因組的突變會引起很多遺傳性疾病，通常都伴隨多個組織器官病變。”張小雪在接受《中國科學報》采訪時介紹，比如心髒、消化係統、神經係統及眼睛、耳朵等器官病變，其中最主要的線粒體疾病是LHON、MELAS以及Leigh綜合征。

隨著核基因組堿基編輯工具的發展，科研人員嚐試將CRISPR係統應用於線粒體基因組的編輯，但是效果不太好，主要是因為線粒體內膜氧化磷酸化產生的電勢差使CRISPR係統所依賴的sgRNA極難進入線粒體。所以，CRISPR係統目前還無法高效實現線粒體堿基的編輯。

直到2020年，哈佛大學David Liu課題組與其合作者利用新發現的一種毒素蛋白DddA蛋白，在雙鏈DNA上實現胞嘧啶的脫氨，然後融合線粒體定位的TALE蛋白，才首次實現了線粒體的胞嘧啶堿基編輯。這個工具被稱為DdCBEs。

“我們當時做這個課題是在DdCBEs出來之後，也是想著去開發線粒體的腺嘌呤堿基編輯工具，為的就是補齊這個領域裏缺的一塊拚圖。”張小雪說。

不過，韓國一個課題組在DdCBEs的基礎上，聯用腺嘌呤脫氨酶實現了線粒體的腺嘌呤堿基編輯，被稱為TALEDs。就在2022年，這項研究成果發表在Cell雜誌上，引起了轟動。

“我們的目的是一樣的，都是要開發出這款應用前景廣闊的基因編輯工具，隻是策略不一樣。當時做這個課題的時候，一直心無旁騖，每天吭哧吭哧地幹。結果被韓國課題組搶了‘先機’，心理打擊很大，大家都很泄氣。”張小雪說。

情況總要麵對，問題總要解決。“其實從原理和想法上，我們與韓國課題組那個成果還是有很大差別。而且就當時我的處境來說，我隻能硬著頭皮幹下去。至於文章能發什麽級別的期刊，我已經不是很在意了。”張小雪表示。

“我們嚐試了很多種策略，其中一個策略就是把DNA想象成兩股擰在一起的繩子，如果把其中一根剪斷之後，理論上繩子會散開，這個時候就有機會利用現在已經進化多輪的在單鏈DNA上進行腺嘌呤脫氨的脫氨酶實現線粒體上的腺嘌呤堿基編輯。”張小雪說。

也就是在這樣的背景下，魏文勝帶領著課題組開發出了mitoBEs。後來，課題組通過查閱文獻，知道目前線粒體疾病的動物模型非常缺乏，因為無法建立高突變頻率的線粒體疾病動物模型，所以對於線粒體疾病的研究以及治療都停滯不前。

“因此，我們就想著對新開發的這個工具進行進一步的優化，以建立高效的線粒體疾病動物模型，從而能推動這個領域的進步。”張小雪表示。

與DdCBEs和TALEDs相比，mitoBEs展現出卓越的鏈特異性和顯著降低的脫靶效應。得益於其雙向堿基編輯能力，mitoBEs能夠對大約87%的致病線粒體突變進行精確建模。

通過優化版mitoBEs，研究團隊成功建立了具有高突變頻率的小鼠模型，表現出了與疾病相關的典型表型。此外，通過雜交實驗，研究團隊還獲得了突變負荷達到100%以及僅含單堿基突變的精確小鼠模型。這項研究成果為深入探索線粒體疾病的致病機製及開發新型治療策略提供了重要工具。

張小雪

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走一步看一步，

走上了科研這條路

在蘭州大學生命科學學院讀本科時，張小雪並未對科研表現出濃厚的興趣。本科畢業後，她和許多同學一樣，對未來沒有清晰的想法，也不清楚自己適合從事什麽樣的職業。就如大海中的一葉扁舟一樣，渺小、迷茫而不知航向。

“我屬於走一步看一步的性格，當時也沒其他更堅定的選擇。身邊很多人都選擇讀博，想繼續往上走走看，我也隨大流，就跟著讀博了，不知不覺就走到了科研這條路上。”張小雪說。

至於未來要麵臨何種難關，她並未思考太多。除了遭遇被韓國課題組搶先發表的打擊外，這篇論文在投給Nature時還吃了一記“閉門羹”——第一輪送審後被拒稿。不過，編輯“雖然關上了門，但打開了一扇窗”，隻要能夠解決編輯提出的問題，就有轉圜的餘地。

之前有研究報道了DdCBEs存在廣泛的核基因組脫靶問題，主要是由於DddA蛋白與CTCF的互作以及DddA蛋白兩部分的自組裝所致。當時，編輯和審稿人都不相信這個新工具mitoBEs能突破這一點——不存在核基因組的脫靶問題。

“因為我們第一個版本裏高通量數據分析方法用得不夠好，所以展示出來的數據會讓人產生理解偏差。後來，我們換了多種更好的分析方法，也用了更多數據來解釋這個問題，當修改好的文章返回去時，就成功說服了他們。”張小雪說。

那是一個淩晨，張小雪收到了導師魏文勝轉發的郵件通知，論文被接收了。她心中如釋重負。

“能夠發表在Nature上，我其實並沒有想象中那麽歡愉，隻是覺得鬆了一口氣，因為這一路走來經曆了太多艱辛。當然，能發在頂刊，是對我這麽多年來科研工作一個很大的正反饋，給了我更多自信，也讓我更堅定地走在科研路上。”張小雪表示。

張小雪

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實驗室氛圍會影響科研興趣

張小雪認為，自己能夠熬過來，取得現在的成績，與實驗室氛圍有很大關係。

“我其實一開始並不確定自己是否適合做科研，因為做科研很卷，競爭很激烈。但來到魏老師的組裏，我得到了很多支持，他既不嚴厲也不push，不會給人壓迫感，和學生們是亦師亦友的關係。他實驗室裏的氛圍讓人很舒服。”張小雪說。

在線粒體堿基編輯器研究過程中，魏文勝不限製學生的思維，鼓勵大家去爭論、去大膽表達自己的想法，也會分享很多想法。張小雪經常與魏文勝、伊宗裔在一起討論，經過三個人思想的碰撞，常常會有意想不到的收獲。

“能找到一個與自己合拍的實驗室是一件很幸運的事。魏老師很看重學生的自主驅動力，也給足大家自由度，而我恰好是那種不喜歡被趕著往前走的人。在魏老師的實驗室大家都能找到適宜的相處模式。很多人都有了不錯的去向，像伊宗裔博士馬上就要成立自己的實驗室，我將繼續博士後的工作，積攢更多的科研經驗。”張小雪說。

“我在科研領域已經找到了自己的興趣，雖然很辛苦，但做科研有它獨特的魅力，前麵有多難，當那條路走通後，後麵就會有多開心。這種成就感是其他工作很難得到的。如果我的工作最後能用於醫療，我也算是實現了自己的人生價值。”張小雪表示。

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08469-8