Η μιτοχονδριακή γενετική μηχανική είναι η προσαρμογή των τεχνικών γενετικής μηχανικής σε συγκεκριμένα μιτοχονδριακά προβλήματα. Αν και δεν είναι συνηθισμένο να γεννιόμαστε με σοβαρά μιτοχονδριακά ζητήματα, όλοι τελικά θα πρέπει να αντιμετωπίσουμε αυτά τα προβλήματα με τη μία ή την άλλη μορφή, υπό την προϋπόθεση ότι θα ζήσουμε αρκετά καιρό.
Ίσως το πιο ισχυρό εργαλείο που διατίθεται σήμερα για τον έλεγχο του κώδικα του μιτοχονδριακού γονιδιώματος είναι η τεχνολογία επεξεργασίας γονιδίων. Το σύστημα CRISPR / Cas9, ειδικότερα, έχει χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επιτυχία στο πυρηνικό γονιδίωμα. Δυστυχώς, υπάρχουν διάφοροι λόγοι για τους οποίους το CRISPR είναι προβληματικό για τα μιτοχόνδρια. Για ένα, δεν υπάρχουν πολλές τοποθεσίες στο συγκριτικά μικρό μιτοχονδριακό γονιδίωμα όπου θα μπορούσε να ασκηθεί αποτελεσματικά το CRIPSR. Επιπλέον, δεν υπάρχει σαφώς καθορισμένος μηχανισμός εισαγωγής του οδηγού RNA σε μιτοχόνδρια. Αυτά τα γεγονότα της ζωής κάνουν τους λίγους δημοσιευμένους ισχυρισμούς κάθε επιτυχούς mito-CRISPR μάλλον αμφίβολο.
Μια πολύ πιο ελκυστική επιλογή για την επεξεργασία των μιτοχονδρίων είναι η χρήση νουκλεασών δακτυλίων ψευδαργύρου (ZFNs) που έχουν κατασκευαστεί για να κόψουν δίκλωνο ϋΝΑ σε επιθυμητές θέσεις. Τα ZFN λειτουργούν σε ζεύγη – ένα μέρος στοχεύει το προσβλητικό νουκλεοτίδιο σε ένα σκέλος, ενώ το άλλο μέρος έχει σχεδιαστεί για να δεσμεύει έναν συγκεκριμένο αριθμό νουκλεοτιδίων μακριά στον αντίθετο κλώνο. Αν όλα πάνε καλά, τα δύο μισά τελικά θα διμεριστούν και θα διασπάσουν το DNA.
Ένα φαινομενικό οδόφραγμα είναι ότι η συρραφή στο “σωστό” νουκλεοτίδιο και στη συνέχεια η επισκευή των πραγμάτων είναι δύσκολη, διότι τα μιτοχόνδρια των θηλαστικών δεν κάνουν επισκευή διπλής αλυσίδας πολύ αποτελεσματικά, αν όχι καθόλου. Η ομορφιά της προσέγγισης ZFN είναι ότι δεν χρειάζεται να κάνουμε μια πλήρη επεξεργασία και επισκευή. Οποιαδήποτε μόρια mtDNA με θραύσματα διπλής έλικας διασπώνται και εξαλείφονται σε σύντομη σειράαπό την ενδογενή δραστικότητα νουκλεάσης του PolG, τη μιτοχονδριακή ϋΝΑ πολυμεράση και την MGME1, μια μιτοχονδριακή ενδονουκλεάση που εμπλέκεται στην αντιγραφή του mtDNA.
Το κύτταρο στη συνέχεια ανταποκρίνεται αναλόγως ώστε να επαναφέρει τα επίπεδα του mtDNA σε ισορροπία, αυξάνοντας τις συγκεντρώσεις των νουκλεοτιδίων και εκτυπώνοντας το νέο mtDNA. Ακολούθως, εκτελώντας μονής γονιδιωματικής επεξεργασίας per se, κάποιος επεξεργάζεται πραγματικά τα μιτοχόνδρια σε επίπεδο πληθυσμού για να επιτύχει ένα επιθυμητό επίπεδο ετερόπλασμα μεταξύ διαφορετικών (και όχι απαραίτητα όλων των κακών) γονιδιωμάτων.
Το Payam Gammage, από τη Μονάδα MRC Μιτοχονδριακής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, και οι συνεργάτες του μόλις ανέφεραν τις πρώτες in vivo επιτυχίες στη χρήση νουκλεασών δακτύλου ψευδαργύρου για την εκλεκτική επιτόπια επεξεργασία παθογόνων mtDNAs σε έναν ετεροπολασμικό μιτοχονδριακό πληθυσμό θηλαστικών. Γράφοντας στο 24ο τεύχος της Φύσης Ιατρικής , επιδεικνύουν τη διόρθωση μίας καρδιακά ειδικής μιτοχονδριακής διαταραχής με ταυτόχρονη θεραπευτική αποκατάσταση μοριακών και βιοχημικών σφραγίδων σε μια κατάσταση άθλιων.
Για να γίνει αυτό, χρησιμοποίησαν ένα μοντέλο ποντικού που περιέχει καλά καθορισμένα επίπεδα ετεροπλασμικής για την μιτοχονδριακή κωδικοποίηση της αλανίνης tRNA. Η σημείωση για αυτή την παραλλαγή διαβάζει το m.5024C> T tRNA (Ala). Επειδή το tRNA της αλανίνης είναι στην πραγματικότητα κωδικοποιημένο στον ελαφρό κλώνο, το RNA καταλήγει να περιέχει ένα Α αντί ενός G στο σημείο 5024. Αυτό πιθανώς δημιουργεί προβλήματα με την αναδίπλωση ή / και την αμινοακυλίωση και οδηγεί σε μειωμένα επίπεδα σταθερής κατάστασης του tRNA. Και στην παραλλαγή ποντικού και στην αντίστοιχη ανθρώπινη παραλλαγή, τα αποτελέσματα αυτά εμφανίζονται πιο έντονα στον καρδιακό ιστό ως κλασική μιτοχονδριακή καρδιομυοπάθεια.
Κάθε μία από τις δύο πρωτεΐνες ZFN χορηγήθηκε συστηματικά στον ποντικό μέσω μιας καρδιοτροπικής έκδοσης του αδενοϊού. Αυτός ο συγκεκριμένος φορέας (ορότυπος16 του AAV9.45) έχει μια μοναδική δομή πρωτεΐνης περιβλήματος που κατά προτίμηση το στοχεύει στην καρδιά έναντι άλλων οργάνων όπως το συκώτι. Η προκύπτουσα μεταβολή στην ετερόπλασμα mtDNA βρέθηκε να είναι ειδική για την καρδιά και ευαίσθητη στην ακριβή δόση, με 5 χ 10 12 ιικά γονιδιώματα ανά μονομερές ανά ποντικό να είναι μια τυπική παροχή.
Το εργαστήριο Moraes στο Μαϊάμι εργάζεται για μια παρόμοια στρατηγική για την επεξεργασία των μιτοχονδρίων. Χρησιμοποιούν διαφορετικά είδη νουκλεασών που ονομάζονται τελεστές ενεργοποίησης μεταγραφικής δράσης (Mito-TALENs) οι οποίες μπορούν να γίνουν για να δεσμευτούν σχεδόν οποιαδήποτε αλληλουχία ϋΝΑ. Αναφέρονται πίσω-πίσω στη Φύση Ιατρική , τα αποτελέσματα του Moraes επιβεβαιώνουν στενά αυτά που έλαβε ο όμιλος Cambridge. Όπως τα ZFNs, τα Mito-TALEN που χρησιμοποιούνται εδώ δεν οδηγούν απαραιτήτως την ετεροποσμία μέχρι το μηδέν. Σε περιπτώσεις και περιοχές όπου υπάρχουν υψηλά επίπεδα μεταλλαγμένης ετεροπλασμίνης, η ξαφνική εξάντληση όλων των τοπικών mtDNA θα ήταν πιθανόν καταστροφική.