華東師范大學(xué)教授李大力、劉明耀團(tuán)隊(duì)聯(lián)合臨港實(shí)驗(yàn)室青年研究員陳亮團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出高性能線(xiàn)粒體腺嘌呤堿基編輯器（eTd-mtABEs），并利用eTd-mtABEs成功構(gòu)建了感音神經(jīng)性耳聾和Leigh綜合癥大鼠疾病模型。此外，團(tuán)隊(duì)使用重新改造的DdCBE變體，首次實(shí)現(xiàn)線(xiàn)粒體致病突變的體內(nèi)原位糾正，成功逆轉(zhuǎn)了leigh綜合征的疾病表型。
6月3日，兩篇研究論文均發(fā)表于《自然-生物技術(shù)》，期刊同期發(fā)表“新聞與觀(guān)點(diǎn)（News & Views）”“社論（Editorial）”評(píng)價(jià)這兩項(xiàng)工作。
“這兩項(xiàng)研究不僅再次引發(fā)學(xué)界對(duì)于早期TALE 基因編輯技術(shù)的關(guān)注，也標(biāo)志著線(xiàn)粒體基因組堿基編輯領(lǐng)域迎來(lái)了令人振奮的突破。”德國(guó)漢諾威萊布尼茨大學(xué)教授延斯·博赫（Jens Boch）如是評(píng)價(jià)道。
全球1/5000的人群受影響
線(xiàn)粒體是一種存在于大多數(shù)真核細(xì)胞中的細(xì)胞器，扮演著“能量工廠(chǎng)”的角色。同時(shí)，線(xiàn)粒體擁有遺傳物質(zhì)（mtDNA）和遺傳體系，當(dāng)mtDNA發(fā)生突變時(shí)，會(huì)引起多種嚴(yán)重的遺傳性疾病，如Leber遺傳性視神經(jīng)病變（LHON）、線(xiàn)粒體腦肌病伴乳酸酸中毒和卒中樣發(fā)作（MELAS）以及Leigh綜合征等。
長(zhǎng)期以來(lái)，線(xiàn)粒體疾病的治療一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)亟待攻克的難題，傳統(tǒng)藥物治療價(jià)格昂貴，只緩解線(xiàn)粒體疾病所帶來(lái)的部分癥狀，無(wú)法根治疾病，并且可能會(huì)帶來(lái)極強(qiáng)的副作用。“全球平均每5000人中就有1人受有害mtDNA突變影響，其中約95%是點(diǎn)突變，這些疾病可累及全身多個(gè)器官，癥狀嚴(yán)重且難以治愈。”李大力告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
隨著基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)界也開(kāi)發(fā)了系列工具，以期精確“修補(bǔ)”線(xiàn)粒體基因組的突變位點(diǎn)，從源頭上治愈疾病。如CRISPR/Cas技術(shù)衍生的堿基編輯器，已成功用于治療由細(xì)胞核DNA（nDNA）點(diǎn)突變引起的疾病，但由于線(xiàn)粒體基因組結(jié)構(gòu)的特殊性，該技術(shù)難以用于修改mtDNA。
近年來(lái)，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了DdCBE、TALEDs等線(xiàn)粒體堿基編輯器，理論上能靶向約86%的致病mtDNA點(diǎn)突變。然而，線(xiàn)粒體疾病的發(fā)生通常需要突變比例超過(guò)一定“閾值”，受限于編輯效率和精度等瓶頸，現(xiàn)有線(xiàn)粒體堿基編輯器難以構(gòu)建出含有高頻突變，且表現(xiàn)出臨床表型的線(xiàn)粒體基因突變動(dòng)物模型，更難以實(shí)現(xiàn)有效的疾病治療。
高效構(gòu)建疾病模型
“寶貴的mtDNA疾病動(dòng)物模型和高精度線(xiàn)粒體基因編輯器是線(xiàn)粒體基礎(chǔ)研究和基因治療的重要技術(shù)支撐?！崩畲罅χ赋?。
在第一項(xiàng)研究工作中，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)推測(cè)，腺嘌呤脫氨酶TadA-8e的活性是決定線(xiàn)粒體基因組中腺嘌呤（A）編輯為鳥(niǎo)嘌呤（G）性能的關(guān)鍵因素之一。
為此，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)TadA-8e進(jìn)行了改造，并篩選出活性顯著增強(qiáng)的變體，這些變體在nDNA編輯中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，為開(kāi)發(fā)出高性能的線(xiàn)粒體A堿基編輯工具提供可能性。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)將高活性TadA變體引入分裂型TALEDs（sTALEDs）中，從而獲得了eTd-mtABEs。
eTd-mtABEs結(jié)構(gòu)示意圖。
研究結(jié)果表明，eTd-mtABEs在線(xiàn)粒體多個(gè)內(nèi)源位點(diǎn)的編輯效率比sTALEDs平均提高了約6.9倍，尤其在原先難以編輯的位點(diǎn)提升更為顯著，同時(shí)保持了較低的DNA和RNA脫靶風(fēng)險(xiǎn)。此外，eTd-mtABEs在大鼠細(xì)胞系中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)145倍的效率提升。
此外，研究團(tuán)隊(duì)基于eTd-mtABEs構(gòu)建了全球首例遺傳穩(wěn)定的Leigh綜合征及感音神經(jīng)性耳聾大鼠模型。
陳亮表示：“eTd-mtABEs作為超高活性、低脫靶的新型線(xiàn)粒體堿基編輯器，為快速構(gòu)建更接近人類(lèi)疾病的線(xiàn)粒體病動(dòng)物模型提供了強(qiáng)大工具，將極大推動(dòng)對(duì)線(xiàn)粒體功能和疾病機(jī)制的深入研究?！?/span>
首次在體內(nèi)原位糾正致病突變
“在第二篇論文中，我們利用前一篇工作開(kāi)發(fā)的線(xiàn)粒體腺嘌呤編輯器eTd-mtABE-RW/V28A，在大鼠體內(nèi)高效且精準(zhǔn)的引入了Leigh綜合征相關(guān)的致病性點(diǎn)突變?！崩畲罅榻B，49只出生大鼠均攜帶近乎單個(gè)的致病性T>C編輯，平均效率高達(dá)54%，并且mtDNA點(diǎn)突變可以高效穩(wěn)定的遺傳。此外，表型實(shí)驗(yàn)揭示了Leigh綜合征大鼠產(chǎn)生明顯的運(yùn)動(dòng)功能障礙和心臟功能受損，證實(shí)團(tuán)隊(duì)成功建立了Leigh綜合征大鼠模型。
為了精準(zhǔn)糾正致病點(diǎn)突變，研究人員工程化設(shè)計(jì)并改造出60個(gè)DdCBE變體，最終獲得大幅降低“旁觀(guān)者編輯”的1333NC-DddA11-K1389A變體。
通過(guò)將最優(yōu)的DdCBE變體注射到近乎純合突變的大鼠受精卵中，實(shí)現(xiàn)了平均高達(dá)53%的野生型mtDNA恢復(fù)，高效精準(zhǔn)的體內(nèi)編輯使得Leigh綜合征大鼠模型的肌肉和心臟功能改善至野生型大鼠水平。
進(jìn)一步地，研究人員將最優(yōu)的DdCBE變體注射到近乎純合突變的Leigh綜合征大鼠模型的受精卵中。結(jié)果顯示，平均53%的致病mtDNA被成功糾正回正常狀態(tài)，且高效精準(zhǔn)的體內(nèi)編輯使得Leigh綜合征大鼠模型的肌肉和心臟功能改善至野生型大鼠水平。
“這是國(guó)際上首次在活體動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)mtDNA致病點(diǎn)突變的原位糾正，為后續(xù)線(xiàn)粒體基因編輯器用于線(xiàn)粒體遺傳性疾病的基因治療研究提供了范式，極具有里程碑意義?！标惲琳f(shuō)到。
基于改造的DdCBE實(shí)現(xiàn)體內(nèi)原位糾正mtDNA致病性突變。圖片均由受訪(fǎng)者提供
李大力同時(shí)指出：“這兩項(xiàng)工作涵蓋了編輯器改造、動(dòng)物模型制備、概念性完成線(xiàn)粒體致病突變?cè)恍迯?fù)以及糾正疾病表型，整個(gè)工作完整度、完成度都非常高。”
劉明耀也表示：“我們?cè)陂_(kāi)發(fā)新型線(xiàn)粒體基因編輯工具、原位精準(zhǔn)糾正線(xiàn)粒體致病突變方面實(shí)現(xiàn)雙突破，為根治線(xiàn)粒體遺傳病提供了革命性技術(shù)路徑。未來(lái)我們將基于該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)開(kāi)發(fā)，為廣大患者造福。”
相關(guān)論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41587-025-02685-x
https://www.nature.com/articles/s41587-025-02684-y
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記者丨江慶齡
來(lái)源丨科學(xué)網(wǎng)客戶(hù)端
編輯丨王越月
編審丨戴琪
