上海科技大学陈佳团队开发新型线粒体基因编辑工具，实现编辑效率与精度的双重飞跃

上海科技大学陈佳团队开发新型线粒体基因编辑工具，实现编辑效率与精度的双重飞跃

上海科技大学陈佳团队在Nature Biotechnology期刊发表重要研究成果，开发出新型线粒体基因编辑工具eTALED，实现了编辑效率与精度的双重提升，为线粒体疾病治疗提供了新工具。

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DNA编辑的世纪难题

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【2】，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【3】，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？

破解TALED的编辑机制

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。

TALED介导的A-to-G编辑依赖于BER

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。

升级版eTALED：效率与精度的双重飞跃

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。

本文原文来自bioon.com