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文｜《中国科学报》记者张晴丹

一个稀松平常的读博上午，张小雪一如既往地埋在一堆实验器材中，临毕论文克隆、业被转染细胞、决定收细胞、再拼高通量测序……当她正熟练地操作这些流程时，读博同组的临毕论文伊宗裔带来了一个“噩耗”：“韩国课题组实现了线粒体的腺嘌呤碱基编辑，文章已经发了！业被”

犹如晴空霹雳，决定张小雪只觉那一天无比漫长，再拼她感到前所未有的读博迷茫。彼时已经是临毕论文她在北京大学读博的第五年，她为了这个课题还延了一年，业被毕业压力可想而知。决定

“说实话，再拼很沮丧，但那时候我们已经拿到比较好的数据，放弃太可惜了。虽然失了先机，但我想尽量把这项研究做得更全。已经走到这一步，我想给自己一个交代，至少让我能毕业吧。”怀揣着如此“卑微”的心愿，张小雪决定再拼一次。

之后，张小雪顶住压力，又开始重复着每天朝九晚十一的科研生活。最终成果发表在2023年的Nature Biotechnology杂志上。

后来也是在北京大学教授魏文胜和博士后伊宗裔的指导与合作下，今年1月23日，张小雪以唯一一作的身份成功在Nature上发表论文。他们开发出新一代线粒体碱基编辑器，助力疾病动物模型的建立。

张小雪

1

补齐那块缺失的拼图

基因组的很多点突变都与疾病相关，所以自CRISPR系统问世以来，科研人员就致力于碱基编辑工具的发展，希望可以治疗疾病。科研人员也利用CRISPR系统开发了很多种核基因组的碱基编辑器，比如利用单链DNA脱氨酶实现A到G以及C到T的碱基编辑，也就是比较熟知的腺嘌呤碱基编辑器和胞嘧啶碱基编辑器。

“线粒体作为人体细胞内的半自主细胞器，拥有自己的基因组。线粒体基因组的突变会引起很多遗传性疾病，通常都伴随多个组织器官病变。”张小雪在接受《中国科学报》采访时介绍，比如心脏、消化系统、神经系统及眼睛、耳朵等器官病变，其中最主要的线粒体疾病是LHON、MELAS以及Leigh综合征。

随着核基因组碱基编辑工具的发展，科研人员尝试将CRISPR系统应用于线粒体基因组的编辑，但是效果不太好，主要是因为线粒体内膜氧化磷酸化产生的电势差使CRISPR系统所依赖的sgRNA极难进入线粒体。所以，CRISPR系统目前还无法高效实现线粒体碱基的编辑。

直到2020年，哈佛大学David Liu课题组与其合作者利用新发现的一种毒素蛋白DddA蛋白，在双链DNA上实现胞嘧啶的脱氨，然后融合线粒体定位的TALE蛋白，才首次实现了线粒体的胞嘧啶碱基编辑。这个工具被称为DdCBEs。

“我们当时做这个课题是在DdCBEs出来之后，也是想着去开发线粒体的腺嘌呤碱基编辑工具，为的就是补齐这个领域里缺的一块拼图。”张小雪说。

不过，韩国一个课题组在DdCBEs的基础上，联用腺嘌呤脱氨酶实现了线粒体的腺嘌呤碱基编辑，被称为TALEDs。就在2022年，这项研究成果发表在Cell杂志上，引起了轰动。

“我们的目的是一样的，都是要开发出这款应用前景广阔的基因编辑工具，只是策略不一样。当时做这个课题的时候，一直心无旁骛，每天吭哧吭哧地干。结果被韩国课题组抢了‘先机’，心理打击很大，大家都很泄气。”张小雪说。

情况总要面对，问题总要解决。“其实从原理和想法上，我们与韩国课题组那个成果还是有很大差别。而且就当时我的处境来说，我只能硬着头皮干下去。至于文章能发什么级别的期刊，我已经不是很在意了。”张小雪表示。

“我们尝试了很多种策略，其中一个策略就是把DNA想象成两股拧在一起的绳子，如果把其中一根剪断之后，理论上绳子会散开，这个时候就有机会利用现在已经进化多轮的在单链DNA上进行腺嘌呤脱氨的脱氨酶实现线粒体上的腺嘌呤碱基编辑。”张小雪说。

也就是在这样的背景下，魏文胜带领着课题组开发出了mitoBEs。后来，课题组通过查阅文献，知道目前线粒体疾病的动物模型非常缺乏，因为无法建立高突变频率的线粒体疾病动物模型，所以对于线粒体疾病的研究以及治疗都停滞不前。

“因此，我们就想着对新开发的这个工具进行进一步的优化，以建立高效的线粒体疾病动物模型，从而能推动这个领域的进步。”张小雪表示。

与DdCBEs和TALEDs相比，mitoBEs展现出卓越的链特异性和显著降低的脱靶效应。得益于其双向碱基编辑能力，mitoBEs能够对大约87%的致病线粒体突变进行精确建模。

通过优化版mitoBEs，研究团队成功建立了具有高突变频率的小鼠模型，表现出了与疾病相关的典型表型。此外，通过杂交实验，研究团队还获得了突变负荷达到100%以及仅含单碱基突变的精确小鼠模型。这项研究成果为深入探索线粒体疾病的致病机制及开发新型治疗策略提供了重要工具。

张小雪

2

走一步看一步，

走上了科研这条路

在兰州大学生命科学学院读本科时，张小雪并未对科研表现出浓厚的兴趣。本科毕业后，她和许多同学一样，对未来没有清晰的想法，也不清楚自己适合从事什么样的职业。就如大海中的一叶扁舟一样，渺小、迷茫而不知航向。

“我属于走一步看一步的性格，当时也没其他更坚定的选择。身边很多人都选择读博，想继续往上走走看，我也随大流，就跟着读博了，不知不觉就走到了科研这条路上。”张小雪说。

至于未来要面临何种难关，她并未思考太多。除了遭遇被韩国课题组抢先发表的打击外，这篇论文在投给Nature时还吃了一记“闭门羹”——第一轮送审后被拒稿。不过，编辑“虽然关上了门，但打开了一扇窗”，只要能够解决编辑提出的问题，就有转圜的余地。

之前有研究报道了DdCBEs存在广泛的核基因组脱靶问题，主要是由于DddA蛋白与CTCF的互作以及DddA蛋白两部分的自组装所致。当时，编辑和审稿人都不相信这个新工具mitoBEs能突破这一点——不存在核基因组的脱靶问题。

“因为我们第一个版本里高通量数据分析方法用得不够好，所以展示出来的数据会让人产生理解偏差。后来，我们换了多种更好的分析方法，也用了更多数据来解释这个问题，当修改好的文章返回去时，就成功说服了他们。”张小雪说。

那是一个凌晨，张小雪收到了导师魏文胜转发的邮件通知，论文被接收了。她心中如释重负。

“能够发表在Nature上，我其实并没有想象中那么欢愉，只是觉得松了一口气，因为这一路走来经历了太多艰辛。当然，能发在顶刊，是对我这么多年来科研工作一个很大的正反馈，给了我更多自信，也让我更坚定地走在科研路上。”张小雪表示。

张小雪

3

实验室氛围会影响科研兴趣

张小雪认为，自己能够熬过来，取得现在的成绩，与实验室氛围有很大关系。

“我其实一开始并不确定自己是否适合做科研，因为做科研很卷，竞争很激烈。但来到魏老师的组里，我得到了很多支持，他既不严厉也不push，不会给人压迫感，和学生们是亦师亦友的关系。他实验室里的氛围让人很舒服。”张小雪说。

在线粒体碱基编辑器研究过程中，魏文胜不限制学生的思维，鼓励大家去争论、去大胆表达自己的想法，也会分享很多想法。张小雪经常与魏文胜、伊宗裔在一起讨论，经过三个人思想的碰撞，常常会有意想不到的收获。

“能找到一个与自己合拍的实验室是一件很幸运的事。魏老师很看重学生的自主驱动力，也给足大家自由度，而我恰好是那种不喜欢被赶着往前走的人。在魏老师的实验室大家都能找到适宜的相处模式。很多人都有了不错的去向，像伊宗裔博士马上就要成立自己的实验室，我将继续博士后的工作，积攒更多的科研经验。”张小雪说。

“我在科研领域已经找到了自己的兴趣，虽然很辛苦，但做科研有它独特的魅力，前面有多难，当那条路走通后，后面就会有多开心。这种成就感是其他工作很难得到的。如果我的工作最后能用于医疗，我也算是实现了自己的人生价值。”张小雪表示。

参考链接：

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

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