撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

從 1968 年第一個限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)、到 1985 年聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR） 技術(shù)的發(fā)明，再到 2013 年CRISPR 基因編輯技術(shù)的應(yīng)用，生物技術(shù)的每一個突破性發(fā)現(xiàn)都進一步提高了我們操縱 DNA 乃至調(diào)控生命藍圖的能力。特別是 CRISPR 基因編輯技術(shù)的成功應(yīng)用，讓我們能以前所未有的效率對活細胞和個體進行全面的基因編輯，也讓我們能夠治療之前無能為力的遺傳疾病。

基因編輯技術(shù)在細胞核DNA（nDNA）的編輯中取得了輝煌的成績，但是在線粒體DNA（mtDNA）編輯中卻滯后很多。線粒體（mitochondrion） 是細胞的“能量工廠”，線粒體內(nèi)有一套獨立于細胞核的遺傳物質(zhì)——線粒體DNA（mtDNA） ，由于 線粒體在能量穩(wěn)態(tài)中的重要作用，mtDNA 的突變會導(dǎo)致多種嚴重疾病。

2020 年，劉如謙團隊開發(fā)了一種不依賴 CRISPR 的堿基編輯器——DdCBE，能夠?qū)崿F(xiàn)對 mtDNA 進行 C-to-T 編輯【1】。2022 年，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院金鎮(zhèn)秀團隊開發(fā)了TALED，將 DdCBE 中的尿嘧啶糖基化酶抑制劑（UGI）替換為腺苷脫氨酶 TadA-8e，實現(xiàn)了 mtDNA 的 A-to-G 編輯【2】。

然而，現(xiàn)有的 mtDNA 的 A-to-G 編輯效率低下，難以用于建立有表型的 mtDNA 突變動物模型，更 不足以直接在動物體內(nèi)原位修復(fù) mtDNA 致病突變以治療線粒體疾病。

2025 年 6 月 3 日，華東師范大學(xué)李大力團隊和臨港實驗室陳亮團隊合作，在Nature Biotechnology期刊同一天發(fā)表了兩篇研究論文，論文標(biāo)題分別為：Efficient mitochondrial A-to-G base editors for the generation of mitochondrial disease models和A mitochondrial disease model is generated and corrected using engineered base editors in rat zygotes。

研究團隊通過對 TadA-8e 的定向進化改造，獲得了一系列高活性、靶向范圍更廣的腺嘌呤脫氨酶變體，顯著提升了細胞核DNA（nDNA）和線粒體DNA（mtDNA）腺嘌呤堿基編輯的靶向活性和靶向序列兼容性。進而開發(fā)了高性能的線粒體腺嘌呤堿基編輯器——eTd-mtABE，不僅展現(xiàn)了高效的編輯效率，并且保持低水平的 DNA 和 RNA 脫靶效應(yīng)。

研究團隊利用 eTd-mtABE 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，并使用重新改造的 DdCBE 變體首次實現(xiàn)線粒體致病點突變的體內(nèi)原位糾正，成功逆轉(zhuǎn)了 Leigh 綜合征的疾病表型。

在第一項研究中，研究團隊利用定向進化技術(shù)發(fā)現(xiàn) TadA-8e 的新變體，這些變體在細胞核DNA（nDNA）腺嘌呤堿基編輯和線粒體DNA（mtDNA）腺嘌呤堿基編輯方面具有顯著增強的活性，并且在之前編輯效率低的序列背景也大幅提高編輯活性，擴大了靶向兼容性。

在此基礎(chǔ)上改造的線粒體 DNA 腺嘌呤堿基編輯器（eTd-mtABE）在人類細胞中的編輯效率高達87%，并且對 DNA 和 RNA 的脫靶效應(yīng)顯著降低。TadA變體結(jié)合原先報道的切口酶策略，在不影響編輯精度的同時實現(xiàn)了更高效率的mtDNA鏈選擇性編輯，平均提高了3.2倍。在大鼠細胞中，eTd-mtABE 的編輯效率提高了 145 倍。研究團隊還通過胚胎注射引入了致病 mtDNA 點突變，生成了感音神經(jīng)性耳聾大鼠模型，突變頻率高達 44%。

總的來說，該研究開發(fā) eTd-mtABE 是用于基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化研究的高效且精準(zhǔn)的線粒體 DNA 堿基編輯工具。

在第二項研究中，研究團隊通過胚胎注射 eTd-mtABE，在 F0 代高效生成了（高達 74%）Leigh 綜合征大鼠模型，這些大鼠模型表現(xiàn)出嚴重的運動功能障礙和心臟功能受損。

為了進一步精準(zhǔn)糾正這種突變，研究團隊工程化改造設(shè)計了一種精準(zhǔn) mtDNA 的 C-to-T 堿基編輯器（改進的 DdCBE），并將其注射到到近乎純合突變的大鼠受精卵中，實現(xiàn)了平均高達 53% 的野生型 mtDNA 恢復(fù)，更重要的是，這種高效且精準(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。

總的來說，研究團隊開發(fā)了一種超高活性、低脫靶的新型線粒體腺嘌呤堿基編輯器——eTd-mtABE，可實現(xiàn)快速的 mtDNA 疾病動物模型構(gòu)建，為推進線粒體功能和疾病研究提供了強有力的工具。研究團隊還升級了高精度 DdCBE 變體，實現(xiàn)了對 Leigh 綜合癥的堿基編輯治療，證明了基于線粒體基因編輯技術(shù)介導(dǎo)的 mtDNA 致病點突變原位糾正的可行性和有效性，這為后續(xù)線粒體基因編輯器用于線粒體疾病的基因治療研究提供了范式。

對于這兩項研究，Nature Biotechnology期刊同期發(fā)表了題為：Base editors model mitochondrial disease 的新聞與觀點文章，文章指出，李大力/陳亮團隊的這兩項研究通過優(yōu)化基于 TALE 的堿基編輯器，成功構(gòu)建了線粒體疾病的大鼠模型，并在下一代中逆轉(zhuǎn)該疾病突變。

同時，Nature Biotechnology期刊還發(fā)表了題為：Powering new therapeutics with precision mitochondrial editing 的社論，該社論指出，李大力/陳亮等人開發(fā)的一系列精準(zhǔn)線粒體 DNA 編輯器， 標(biāo)志著線粒體疾病動物建模的巨大進展，突顯了工程堿基編輯系統(tǒng)在精準(zhǔn)編輯線粒體 DNA 方面的潛力。未來的研究有望將這一技術(shù)從嚙齒動物模型擴展到大型動物模型，并最終邁向臨床應(yīng)用。

參考資料：

1. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2477-4

2. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00389-0

3. https://www.nature.com/articles/s41587-025-02685-x

4. https://www.nature.com/articles/s41587-025-02684-y

5. https://www.nature.com/articles/s41587-025-02706-9

6. https://www.nature.com/articles/s41587-025-02693-x