線(xiàn)粒體，被稱(chēng)為細胞的“能量工廠(chǎng)”，其內部的 DNA（mtDNA）掌控著(zhù)能量代謝的關(guān)鍵基因。mtDNA 的突變會(huì )引發(fā)多種嚴重遺傳病，例如 Leigh綜合征、MELAS 綜合征等。然而，傳統的 CRISPR 基因編輯工具難以編輯線(xiàn)粒體 DNA，科學(xué)家們一直在尋找突破。
2025年3月25日，上海科技大學(xué)陳佳團隊在Nature Biotechnology期刊發(fā)表了題為：Leveraging base excision repair for efficient adenine base editing of mitochondrial DNA的研究論文，帶來(lái)了線(xiàn)粒體基因編輯的“超能武器”。
該研究揭示了線(xiàn)粒體 DNA 腺嘌呤堿基編輯器TALED的工作機制，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了一系列增強型工具——eTALED6，顯著(zhù)提升了線(xiàn)粒體基因編輯的效率與精準度，為線(xiàn)粒體疾病建模和治療提供了新工具。
線(xiàn)粒體DNA編輯的世紀難題
線(xiàn)粒體疾病影響著(zhù)全球 1/5000 的新生兒，患者因線(xiàn)粒體 DNA（mtDNA）上的 A-to-G 或C-to-T 堿基替換導致能量代謝崩潰。盡管 CRISPR 基因編輯技術(shù)已趨于成熟，但線(xiàn)粒體的特殊結構讓其束手無(wú)策：向導 RNA（gRNA）無(wú)法穿透線(xiàn)粒體膜，且線(xiàn)粒體 DNA 的超螺旋結構難以解旋。
2020 年 7 月，劉如謙團隊在Nature期刊發(fā)表論文【2】，開(kāi)發(fā)了一種不依賴(lài) CRISPR 的堿基編輯器——DdCBE，能夠實(shí)現對線(xiàn)粒體 DNA 的精準編輯，為研究線(xiàn)粒體遺傳病和治療線(xiàn)粒體遺傳病帶來(lái)了全新工具，但這一工具也有其局限性，只能對線(xiàn)粒體 DNA進(jìn)行C-to-T堿基轉換。
2022年4月，韓國基礎科學(xué)研究院金鎮秀團隊在Cell發(fā)表論文【3】，開(kāi)發(fā)了一種新型線(xiàn)粒體堿基編輯平臺——TALED（轉錄激活因子樣效應物連接的脫氨酶），首次實(shí)現了在線(xiàn)粒體 DNA 的A-to-G堿基轉換，大大擴展了線(xiàn)粒體基因編輯的范圍。
TALED 通過(guò)融合 TALE 蛋白、雙鏈 DNA 脫氨酶 DddA 以及單鏈脫氨酶 TadA8e，首次實(shí)現了對線(xiàn)粒體 DNA 的 A-to-G 堿基編輯。然而，謎團仍未解開(kāi)——這種編輯究竟如何發(fā)生？為何效率有限？
破解TALED的編輯機制
在這項最新研究中，陳佳團隊通過(guò)一系列精巧實(shí)驗，證實(shí)了TALED 并非直接在雙鏈 DNA 上進(jìn)行 A-to-G 編輯，而是依賴(lài) DddA 誘導 C-to-U 的脫氨反應，觸發(fā)線(xiàn)粒體堿基切除修復（BER）過(guò)程，具體機制如下：
1、DddA 打頭陣：在目標區域觸發(fā) C-to-U 脫氨，產(chǎn)生“錯誤”的尿嘧啶（U）；
2、細胞啟動(dòng)修復：尿嘧啶糖苷酶（UDG）切除 U，形成無(wú)堿基位點(diǎn)（AP位點(diǎn)）；
3、DNA 鏈斷裂：AP內切酶切割產(chǎn)生單鏈缺口，線(xiàn)粒體核酸酶 MGME1 進(jìn)一步擴大缺口；
4、TadA8e 登場(chǎng)：?jiǎn)捂渽^域暴露后，TadA8e 精準催化 A-to-I（次黃嘌呤）編輯；
5、永久改寫(xiě)：細胞修復系統將 I 識別為 G，最終實(shí)現 A-to-G 編輯。
TALED 介導的 A-to-G 編輯依賴(lài)于 BER
這一發(fā)現顛覆了以往認為的“DddA 通過(guò)解旋 DNA 輔助編輯”的假說(shuō)，首次證明了線(xiàn)粒體堿基切除修復（BER）是編輯的關(guān)鍵推手。
升級版eTALED：效率與精度的雙重飛躍
基于上述編輯機制的發(fā)現，陳佳團隊開(kāi)發(fā)了升級版TALED 編輯器——eTALED：1、動(dòng)力升級：使用高活性突變體 DddA6 替換原始 DddA，編輯效率提升 3 倍；2、精準導航：融合人源 UDG 加速修復過(guò)程，關(guān)鍵位點(diǎn)編輯效率突破 70%；3、智能降噪：改造 TadA8e 的底物識別域（V28R突變），將編輯窗口從 15bp 縮至 4bp；4、雙重保險：新工具 eTALED6R 的 RNA 脫靶率降低為原來(lái)的 1/60，DNA 脫靶率僅為傳統工具的 1/26；
接下來(lái)，陳佳團隊利用 eTALED6 和 eTALED6R 在線(xiàn)粒體基因組中模擬了與Leigh 綜合征和MELAS 綜合征相關(guān)的致病突變 m.A13514G，精準度達 48.8%，且未出現明顯細胞毒性，更令人振奮的是，編輯后的細胞線(xiàn)粒體耗氧率顯著(zhù)下降，可完美模擬疾病表型。
隨著(zhù) eTALED 的優(yōu)化，未來(lái)或將實(shí)現：?jiǎn)螇A基水平的線(xiàn)粒體基因組修復；開(kāi)發(fā)出多種線(xiàn)粒體疾病的通用治療方案；實(shí)現細胞核 DNA 與線(xiàn)粒體 DNA 的協(xié)同編輯。
總的來(lái)說(shuō)，該研究不僅填補了 TALED 編輯器的分子機制研究的空白，還在此基礎上進(jìn)一步構建了一系列精準、高效、低脫靶性的新型線(xiàn)粒體腺嘌呤堿基編輯工具，這些新工具在線(xiàn)粒體疾病建模、遺傳修復和相關(guān)基礎研究中具有廣泛應用前景。
上海科技大學(xué)陳佳教授為論文通訊作者，陳佳課題組博士研究生樊煜航、許文超，中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所博士研究生高寶青為論文共同第一作者。
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