▎药明康德内容团队编辑核基因组突变是多种疾病的根源。除了细胞核基因组，线粒体作为细胞内具有半自主功能的细胞器，也拥有独立的基因组，其基因组突变同样与多种遗传疾病密切相关。在线粒体疾病中，最为人熟知的包括Leigh综合征和Leber遗传性视神经病变（LHON）。其中，Leigh综合征的症状包括发育迟缓、肌张力减退、运动和呼吸障碍等，多于婴幼儿期发病，患者常常在儿童时期就会去世；而LHON则表现为视力丧失、中央暗点和视神经萎缩等问题。根据MITOMAP的统计，目前已验证的线粒体致病性突变有97个，其中点突变占比高达95%。然而，由于缺乏有效的点突变相关线粒体疾病小鼠模型，线粒体疾病的研究与治疗开发受到了严重制约。近年来，线粒体碱基编辑工具的出现，让科学家们看到了构建线粒体疾病小鼠模型的新机遇。2020年，一款名为DdCBEs的碱基编辑工具对线粒体实现了从C碱基到T碱基的编辑，这也是首次在人体细胞中进行线粒体DNA的编辑；两年后，又一款名为TALEDs的编辑器发表，在线粒体DNA中实现从A到G的转换。这些工具基于双链DNA脱氨酶DddA蛋白。不过，当研究者尝试将这些工具应用于小鼠模型的构建时，却发现其编辑效率尚不足以模拟人类线粒体疾病中高突变负荷的特征。此外，基于DddA的线粒体碱基编辑工具在应用中还面临核基因组脱靶的风险，难以直接建立线粒体突变与疾病表型之间的因果联系。针对这一挑战，北京大学魏文胜课题组之前开发了mitoBEs，这是一种结合切口酶与单链DNA脱氨酶的新型线粒体碱基编辑工具，能够实现线粒体DNA从C到T和从A到G的编辑。这样的双向碱基编辑能力，使得mitoBEs能够对大约87%的致病线粒体突变进行精确建模。此外，与DdCBEs和TALEDs相比，mitoBEs展现出强大的链特异性和显著降低的脱靶效应。在这项研究的基础上，昌平实验室及北京大学魏文胜课题组在最新一期《自然》（Nature）杂志发表了新的突破。研究团队通过优化后的mitoBEs，高效且精准地构建了线粒体疾病小鼠模型，这些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。这项进展为线粒体疾病的机制探索与治疗提供了新的工具。为准确建立突变与疾病表型之间的直接联系，消除碱基编辑工具的脱靶效应尤为重要。该研究首先对RNA编码的mitoBEs系统的脱靶效应进行了全面评估，结果表明，腺嘌呤碱基编辑器mitoABE和胞嘧啶碱基编辑器mitoCBE均表现出一定的脱靶效应。为了提高mitoBEs的精准性、将脱靶效应降至背景水平，该研究重点优化了脱氨酶。针对mitoABE，通过突变筛选发现，TadA8e-V106W-V28F能够将转录组脱靶降低至背景水平；针对mitoCBE，则是在对胞嘧啶脱氨酶的筛选中，发现了TadA衍生的胞嘧啶脱氨酶CBE6d。基于这些优化成果，研究团队将改进后的mitoBEs命名为mitoBEs v2。此外，研究还发现无论是优化前还是优化后的mitoBEs，均未在核基因组上引发明显的脱靶效应，从而验证了其在基因编辑中的安全性和可靠性。▲优化mitoBEs的编辑精准性（图片来源：参考资料[1]）通过将85个人类致病性线粒体DNA点突变与小鼠线粒体基因组进行同源性比对，研究确定了70个可编辑位点，进一步的细胞水平初步筛选成功实现了其中68个位点的编辑。比较发现，由环状RNA（circRNA）编码的mitoBEs v2相比于mRNA编码的工具，具有更高的编辑效率。接下来，研究团队将circRNA编码的mitoBEs v2注射至小鼠胚胎并进行移植，结果显示mitoBEs v2在多种F0代小鼠模型中均实现了较高的编辑效率，其中mt-Nd5 A12784G F0小鼠模型的突变频率高达82%。此外，F0代小鼠的线粒体基因组和核基因组中均未检测到脱靶效应。这一发现表明，mitoBEs v2能够构建遗传背景干净的线粒体疾病小鼠模型。更重要的是，线粒体基因组的编辑结果在小鼠不同组织中表现出广泛且持久的存在，并且能够通过母系遗传稳定传递。通过进一步杂交实验，研究成功获得了目标位点编辑效率达到100%以及仅含目标位点突变的mt-Nd5 A12784G小鼠模型。▲mitoBEs v2高效构建线粒体疾病小鼠模型，编辑结果广泛且持久稳定于多组织（图片来源：参考资料[1]）小鼠的mt-Atp6 T8591C和mt-Nd5 A12784G分别相当于人类导致Leigh综合征和LHON的线粒体致病突变。研究团队对突变率较高的F0代小鼠进行了疾病表型评估，结果显示，mt-Atp6 T8591C小鼠表现出显著的心脏功能障碍，与Leigh综合征的临床特征相符；mt-Nd5 A12784G小鼠则表现出类似LHON的视力障碍。此外，研究还成功构建了仅含目标位点编辑的单碱基突变mt-Nd5 A12784G小鼠模型。综上，这些研究结果充分证明了mitoBE v2在创建线粒体疾病小鼠模型方面的高效性和精准性，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。北京大学博士后伊宗裔为该论文的共同通讯作者，昌平实验室博士后张小雪为论文的第一作者，张雪、任纪武、李佳怡、魏晓旭和于莹博士也为该研究做出了重要贡献。本研究得到了昌平实验室、国家自然科学基金、北大-清华生命科学联合中心及中国博士后科学基金的资助。[1] X.X. Zhang, et al., Precise modelling of mitochondrial diseases using optimized mitoBEs. Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08469-8本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
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