Nature：魏文胜团队开发新一代线粒体碱基编辑器，建立线粒体疾病的精准动物模型
Nature：魏文胜团队开发新一代线粒体碱基编辑器，建立线粒体疾病的精准动物模型
线粒体作为细胞内具有半自主功能的细胞器，拥有独立的基因组，其基因组突变与多种遗传疾病密切相关。线粒体疾病通常累及多种组织器官，其中最为人熟知的包括Leigh综合征和LHON（Leber遗传性视神经病变）。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。
2025年1月23日，昌平实验室、北京大学魏文胜团队在Nature期刊发表了题为《Precise modelling of mitochondrial diseases using optimized mitoBEs》的研究论文。该研究报道了通过优化后的mitoBE实现高效且精准地构建线粒体疾病小鼠模型的成果。利用优化版mitoBE，研究团队成功建立了具有高突变频率的小鼠模型，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，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。
研究团队首先对RNA编码的mitoBE系统的脱靶效应进行了全面评估。结果表明，RNA编码的mitoABE存在广泛的转录组脱靶效应，而mitoCBE则表现出一定程度的依赖于APOBEC1蛋白的线粒体基因组脱靶效应。为了提高mitoBE的精准性，研究团队重点优化了脱氨酶。针对mitoABE，通过突变筛选发现，TadA8e-V106W-V28F能够显著降低转录组脱靶至背景水平。针对mitoCBE，筛选了多种现有的胞嘧啶脱氨酶，并发现TadA衍生的胞嘧啶脱氨酶CBE6d在线粒体基因组上表现出的脱靶效应接近背景水平。
基于这些优化成果，研究团队将改进后的mitoBE命名为mitoBE v2，包括mitoABE v2和mitoCBE v2。此外，该研究还系统性地评估了优化前后mitoBE在核基因组上的脱靶效应，结果显示，无论是优化前还是优化后的mitoBE，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。
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，研究团队确定了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mitoBE v2相比于线性mRNA编码的工具，具有更高的编辑效率。
因此，研究团队将circRNA编码的mitoBE v2注射至小鼠胚胎并进行移植，结果显示mitoBE 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，该研究系统性评估了F0代小鼠在线粒体基因组和核基因组中的脱靶效应，结果表明，在整个基因组范围内未检测到脱靶效应。这一发现表明，mitoBE 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。
mt-Atp6 T8591C和mt-Nd5 A12784G分别对应人类线粒体致病突变m.T9191C和m.A13379G，并分别导致Leigh综合征和LHON。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，研究还通过调整TALE结合位点，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。
总的来说，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。
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