Cell Discovery︱马元武/沈彬团队首次实现大鼠线粒体DNA的精准编辑

撰文︱齐晓龙

责编︱王思珍

线粒体（mitochondrion）是人体细胞的能量工厂，线粒体功能障碍会导致多种系统性疾病。线粒体是进化中唯一具有自身DNA（mtDNA）的细胞器。线粒体自身功能受到细胞核DNA（nDNA）和mtDNA的共同调控。目前，与人类疾病相关的mtDNA突变（致病性突变）超过270种，并且数量仍在不断上升【1】。由于相关动物模型的缺乏，致使mtDNA突变致病相关研究相对滞后，且缺乏针对mtDNA 致病性突变的有效治疗方案【2】。因此，迫切需求包含精确的人类mtDNA 变异的动物模型来揭示线粒体疾病的病理生理学进程并开发出治疗线粒体疾病的有效方法。

2021年10月19日，以“Precision modeling of mitochondrial disease in rats via DdCBE-mediated mtDNA editing”为题在线发表于Cell Discovery的最新论文中，中国医学科学院医学实验动物研究所的马元武团队和南京医科大学的沈彬团队合作建立了大鼠mtDNA基因编辑体系。利用DdCBE碱基编辑工具【3】在大鼠上实现高效率、高准确度及低脱靶效率的mtDNA碱基编辑，再现临床人类mtDNA突变疾病表型。

作者针对临床来源的两个mtDNA突变位点进行模型建立。G8363位于mtDNA TRNK基因中，G8363A的突变可导致癫痫、心肌病或Leigh综合征；G14710位于mtDNA TRNE 基因中，G14710A 突变主要导致线粒体肌病。在大鼠中，与G8363和G14710A对应的位点分别G7755和G14098。针对相应的位点，作者在之前的工作基础上【4】组装了不同的DdCBE载体，并在在大鼠来源的C6细胞系中进行编辑效率的验证，筛选出高效率的编辑组合（图1）。

图1 利用DdCBE在大鼠C6细胞中进行线粒体DNA编辑

（图引自：Qi et al., Cell Discovery 2021; 7: 95）

进一步地，作者利用上述筛选出的DdCBE高编辑效率载体进行了G7755A和G14098A点突变大鼠的建立（图2）。作者所建立的mtDNA点突变大鼠具高精确性和低脱靶效应。经传代检测，携带mtDNA突变的线粒体能够通过母本稳定遗传（图3）。除此之外，作者所建立的mtDNA G14098A点突变大鼠表现出心脏和肌肉功能障碍，一定程度上模拟了人线粒体基因G14710A突变的临床表型（图3）。

图2 线粒体基因突变大鼠的建立流程图

（图引自：Qi et al., Cell Discovery 2021; 7: 95）

图3 线粒体基因突变大鼠的建立及其表型分析

（图引自：Qi et al., Cell Discovery 2021; 7: 95）

文章结论与讨论，启发与展望总的来说，一、利用DdCBE碱基编辑工具在大鼠上首次实现了mtDNA的高精准编辑，为创制更多mtDNA突变相关疾病大鼠模型奠定了基础。二、G14098A点突变大鼠模型成功模拟了人类线粒体G14710A点突变临床症状，为进一步研究线粒体疾病的致病机制和药物筛选提供了大鼠模型。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41421-021-00325-7

第一作者齐晓龙（第一排左一），第一作者张旭（第二排右二），通讯作者马元武（第一排右三）

（照片提供自：实验动物资源研究中心）

中国医学科学院医学实验动物研究所的齐晓龙、张旭和南京医科大学的陈晓旭、郭佳银、孙海峰为论文的共同第一作者。这项研究得到国家重点研发计划、国家自然基金及中国医学科学院医学创新工程等项目的资助。

马元武，博士，中国医学科学院医学实验动物研究所副研究员，实验动物资源研究中心主任。致力于（1）基因编辑工具的研发和疾病动物模型的创制；（2）基于疾病动物模型，开展神经、干细胞衰老相关基因功能和致病机制研究。在Cell Research、Cell Discovery、FEBS J等期刊发表研究论文30余篇。建立了我国第一个大鼠资源库（www.ratresource.com），目前拥有200余种基因工程大鼠品系，包括多种Cre工具大鼠、心脏病相关大鼠、代谢相关大鼠以及神经相关大鼠等。获得奖励包括：国家科技进步奖二等奖、北京市科技奖三等奖、中国实验动物学会科技奖一等奖、中华医学科技奖三等奖等。

欢迎对基因编辑和疾病模型创制感兴趣的优秀推免生、硕士生、博士生及博士后研究人员加入本实验室。

基因工程大鼠资源库（www.ratresource.com），是由中国医学科学院医学实验动物研究所张连峰/马元武团队建立的国内首个大鼠资源库，是亚洲第二、国际第三多的大鼠资源库。目前拥有200余种基因工程大鼠品系，拥有国际最多的Cre工具大鼠资源，包括一系列的心脏病、代谢病以及神经系统疾病大鼠资源。 

国家人类疾病动物模型资源库，依托于中国医学科学院医学实验动物研究所，以人类疾病动物模型资源的研制、引进、收集、保存和开放共享为主要内容。欢迎广大科研人员通过国家人类疾病动物模型资源库进行疾病相关动物模型资源的共享和使用。

资源库联系人：关菲菲 老师；邮箱：[e-mail]；电话：[phone]。

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【1】Lott, M. T. et al. mtDNA Variation and Analysis Using Mitomap and Mitomaster. Curr Protoc Bioinformatics 44, 1.23.1-26 (2013).

【2】Stewart, J. B. Current progress with mammalian models of mitochondrial DNA disease. J Inherit Metab Dis 44, 325-342 (2020).

【3】Mok, B. Y. et al. A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing. Nature 583, 631-637 (2020).

【4】Guo, J. et al. Precision modeling of mitochondrial diseases in zebrafish via DdCBE-mediated mtDNA base editing. Cell Disc (2021) 7:78

制版︱王思珍

本文完