与传统基因编辑的区别
 

构建线粒体疾病模型与传统基因编辑模型存在本质区别，这构成其技术挑战的根源。
 

常规基因编辑（如点突变）靶向细胞核DNA，通过核酸酶制造DNA双链断裂，并依赖细胞修复机制实现基因修饰，适用于研究由核基因突变引起的单基因遗传病，且遵循孟德尔遗传规律。
 

线粒体碱基编辑靶向位于细胞质的mtDNA，其呈环状、多拷贝，并严格遵循母系遗传。由于线粒体缺乏有效的DNA双链断裂修复系统，该技术采用工程化脱氨酶与靶向蛋白融合的策略，在不切割DNA骨架的情况下直接实现碱基转换，从而精准模拟致病突变。此类模型专门用于研究线粒体能量代谢障碍相关疾病，且需使突变型mtDNA比例超过60%的发病阈值，对编辑工具的精准性与效率提出更高要求。

 

当前技术瓶颈与产业化挑战
 

线粒体疾病动物模型的构建面临两大核心瓶颈：
 

一是脱靶效应导致模型背景不纯净。早期基于DddA的编辑工具存在显著的核基因组脱靶风险，这种由蛋白自身相互作用特性引起的非特异性编辑，使得模型难以建立可靠的“基因突变-疾病表型”因果关系，严重削弱了其在药物评价中的可信度。
 

二是编辑效率不足导致表型缺失。人类线粒体疾病发病需突变型mtDNA达到高比例（通常＞60%），但早期工具难以在动物体内实现并维持这种致病负荷，导致所构建模型要么不发病，要么表型微弱且不稳定，无法为临床前研究提供可重复的病理平台。

 

技术突破：新一代线粒体碱基编辑系统
 

2025年1月22日，昌平实验室/北京大学魏文胜课题组在《Nature》杂志在线发表了题为“Precise modelling of mitochondrial diseases using optimized mitoBEs”的研究论文。该研究报道了基于mitoBEs的优化系统（mitoBEs v2），在线粒体疾病小鼠模型构建中取得的突破性进展。
 

mitoBEs是一种结合切口酶与单链DNA脱氨酶的新型线粒体碱基编辑工具，能够实现对线粒体DNA（mtDNA）的C-to-T和A-to-G双向编辑。相比早期工具（如DdCBEs和TALEDs），它具有更卓越的链特异性和更低的脱靶效应，理论上可对约87%的致病性线粒体突变进行精确建模。
 

研究团队利用优化后的mitoBEs v2成功构建多种高突变频率的小鼠模型。这些模型不仅表现出与人类疾病相对应的典型表型，还通过杂交实验获得突变负荷达100%以及仅含单碱基突变的精确遗传背景模型。
 

为构建能够准确建立基因型-表型关联的高保真模型，研究团队以消除脱靶效应为首要目标，对mitoBEs系统进行了系统性优化。

团队首先评估了早期RNA编码的mitoBEs，发现其在转录组（mitoABE）和线粒体基因组（mitoCBE）层面仍存在非特异性编辑。为此，研究聚焦于脱氨酶核心元件的工程化改造：通过大规模筛选，获得TadA8e-V106W-V28F变体用于A-to-G编辑器（mitoABE v2），将转录组脱靶降至背景水平；同时将TadA衍生的胞嘧啶脱氨酶CBE6d应用于C-to-T编辑器（mitoCBE v2），显著降低了线粒体基因组的脱靶效应。经全面检测，优化后的mitoBEs v2在核基因组层面未引发可检测的脱靶事件，验证了其用于活体编辑的高度安全性。

 

图源Precise modelling of mitochondrial diseases using optimized mitoBEs
 

在确保精准性的基础上，研究进一步评估其编辑覆盖度与效率。通过将85个人类致病性mtDNA点突变对应至小鼠同源位点，团队确定了70个可编辑位点，并在细胞水平成功验证了其中68个。采用环状RNA递送系统后，编辑效率显著提升。在小鼠胚胎注射实验中，mitoBEs v2在F0代模型中实现高效编辑，其中mt-Nd5 A12784G位点的突变频率可达82%，且全基因组检测证实无脱靶现象。编辑结果在小鼠多种组织内广泛分布、稳定存在，证明该系统可用于构建遗传背景干净、可稳定遗传的线粒体疾病模型。通过杂交筛选，团队成功获得了突变负荷达100%的mt-Nd5 A12784G小鼠模型。

 

图源Precise modelling of mitochondrial diseases using optimized mitoBEs
 

在疾病表型验证中，对应Leigh综合征的mt-Atp6 T8591C小鼠表现出显著的心功能不全，而对应LHON的mt-Nd5 A12784G小鼠则呈现典型的视网膜电位异常与视力损伤。这些表型与人类临床表现高度一致，证实了mitoBEs v2所构建的模型能够真实再现线粒体疾病的关键病理特征。综上，该研究发展了一种高效、精准且背景干净的线粒体碱基编辑系统，为线粒体疾病的致病机制解析与临床前药物开发提供了可靠的模型工具。

 

图源Precise modelling of mitochondrial diseases using optimized mitoBEs

 

明迅期待将这一高效、精准的建模平台转化为可稳定供应的模型资源，为全球科研与药物研发团队提供临床前研究工具，共同加速线粒体疾病治疗方案的开发进程。