上科大开发新型线粒体基因编辑工具

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关键词：

来源：

Nature Biotechnology

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//agri.nais.net.cn/topic/downloadFile/4e0c3a4c-21f1-4c24-9473-d72626f4d840

来源地址：

https://doi.org/10.1038/s41587-025-02608-w

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2025-03-25

摘要：

2025年3月25日，上海科技大学陈佳团队在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为：Leveraging base excision repair for efficient adenine base editing of mitochondrial DNA 的研究论文，带来了线粒体基因编辑的“超能武器”。该研究揭示了线粒体 DNA 腺嘌呤碱基编辑器 TALED 的工作机制，并进一步开发出了一系列增强型工具——eTALED6，显著提升了线粒体基因编辑的效率与精准度，为线粒体疾病建模和治疗提供了新工具。线粒体疾病影响着全球 1/5000 的新生儿，患者因线粒体 DNA（mtDNA）上的A-to-G或C-to-T碱基替换导致能量代谢崩溃。尽管 CRISPR 基因编辑技术已趋于成熟，但线粒体的特殊结构让其束手无策：向导 RNA（gRNA）无法穿透线粒体膜，且线粒体DNA的超螺旋结构难以解旋。2020年7月，刘如谦团队在 Nature 期刊发表论文，开发了一种不依赖CRISPR的碱基编辑器——DdCBE，能够实现对线粒体DNA的精准编辑，为研究线粒体遗传病和治疗线粒体遗传病带来了全新工具，但这一工具也有其局限性，只能对线粒体DNA进行C-to-T碱基转换。2022年4月，韩国基础科学研究院金镇秀团队在 Cell发表论文，开发了一种新型线粒体碱基编辑平台——TALED（转录激活因子样效应物连接的脱氨酶），首次实现了在线粒体DNA的A-to-G碱基转换，大大扩展了线粒体基因编辑的范围。TALED通过融合TALE蛋白、双链DNA脱氨酶 DddA以及单链脱氨酶TadA8e，首次实现了对线粒体DNA的A-to-G碱基编辑。然而，谜团仍未解开——这种编辑究竟如何发生？为何效率有限？在这项最新研究中，陈佳团队通过一系列精巧实验，证实了TALED并非直接在双链DNA上进行A-to-G编辑，而是依赖DddA诱导C-to-U的脱氨反应，触发线粒体碱基切除修复（BER）过程，具体机制如下：1、DddA打头阵：在目标区域触发C-to-U脱氨，产生“错误”的尿嘧啶（U）；2、细胞启动修复：尿嘧啶糖苷酶（UDG）切除U，形成无碱基位点（AP位点）；3、DNA链断裂：AP内切酶切割产生单链缺口，线粒体核酸酶MGME1进一步扩大缺口；4、TadA8e 登场：单链区域暴露后，TadA8e精准催化A-to-I次黄嘌呤）编辑；5、永久改写：细胞修复系统将I识别为G，最终实现A-to-G编辑。这一发现颠覆了以往认为的“DddA通过解旋DNA辅助编辑”的假说，首次证明了线粒体碱基切除修复（BER）是编辑的关键推手。基于上述编辑机制的发现，陈佳团队开发了升级版 TALED 编辑器——eTALED：1、动力升级：使用高活性突变体DddA6替换原始DddA，编辑效率提升3倍；2、精准导航：融合人源UDG加速修复过程，关键位点编辑效率突破 70%；3、智能降噪：改造TadA8e的底物识别域（V28R突变），将编辑窗口从15bp缩至4bp；4、双重保险：新工具eTALED6R的RNA脱靶率降低为原来的1/60，DNA脱靶率仅为传统工具的1/26；接下来，陈佳团队利用eTALED6和eTALED6R在线粒体基因组中模拟了与 Leigh综合征和 MELAS综合征相关的致病突变m.A13514G，精准度达48.8%，且未出现明显细胞毒性，更令人振奋的是，编辑后的细胞线粒体耗氧率显著下降，可完美模拟疾病表型。随着eTALED的优化，未来或将实现：单碱基水平的线粒体基因组修复；开发出多种线粒体疾病的通用治疗方案；实现细胞核DNA与线粒体DNA的协同编辑。总的来说，该研究不仅填补了TALED编辑器的分子机制研究的空白，还在此基础上进一步构建了一系列精准、高效、低脱靶性的新型线粒体腺嘌呤碱基编辑工具，这些新工具在线粒体疾病建模、遗传修复和相关基础研究中具有广泛应用前景。