使用优化的Mitobes精确建模线粒体疾病

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线粒体疾病 基因编辑 Mitobes 小鼠模型 脱靶效应 表型评估 遗传突变

线粒体疾病精准建模：基于优化mitobes的研究

学术背景

线粒体疾病是由线粒体DNA（mtDNA）突变引起的一类遗传性疾病，影响细胞的能量代谢，进而导致多种器官功能障碍。线粒体DNA突变可以是同质性的（影响所有mtDNA拷贝）或异质性的（突变与野生型mtDNA共存）。这些突变在人群中较为罕见，但一旦发生，往往会导致严重的临床症状，如Leigh综合征和Leber遗传性视神经病变（LHON）。由于缺乏合适的动物模型，线粒体疾病的研究和治疗进展受到限制。因此，开发能够精确模拟人类线粒体疾病的动物模型至关重要。

本研究旨在通过优化线粒体碱基编辑器（mitobes），减少脱靶效应，提高编辑效率和精度，从而为线粒体疾病的精准建模提供工具。通过这一技术，研究人员能够在小鼠模型中模拟人类线粒体疾病的突变，为疾病机制研究和治疗策略开发奠定基础。

论文来源

该研究由Xiaoxue Zhang、Xue Zhang、Jiwu Ren、Jiayi Li、Xiaoxu Wei、Ying Yu、Zongyi Yi和Wensheng Wei共同完成。研究团队来自Changping Laboratory、Peking University Genome Editing Research Center和Peking-Tsinghua Center for Life Sciences。该论文于2024年11月28日被Nature期刊接受，并于2024年12月在线发表。

研究流程

1. mitobes的优化与开发

研究团队首先对线粒体碱基编辑器（mitobes）进行了优化，以减少其对转录组和线粒体基因组的脱靶效应。mitobes是一种结合了单链DNA脱氨酶和切口酶的基因编辑工具，能够在线粒体DNA中实现C-to-T和A-to-G的碱基编辑。为了进一步提高编辑效率和精度，研究人员对脱氨酶进行了工程化改造。

  • A-to-G编辑器的优化：研究人员通过饱和突变筛选，发现Tada8e-V106W蛋白中的V28F突变能够显著提高编辑效率，并减少转录组水平的脱靶效应。优化后的mitoABE v2在小鼠细胞中的编辑效率从14%提升至26%。

  • C-to-T编辑器的优化：研究人员测试了16种不同的胞嘧啶脱氨酶，发现CBE6D在编辑效率和脱靶效应方面表现最佳。优化后的mitoCBE v2在小鼠细胞中的编辑效率达到60%，且脱靶效应显著降低。

2. 小鼠模型中的线粒体DNA编辑

研究人员利用优化后的mitobes v2，在小鼠模型中靶向编辑了70个与人类致病突变相似的小鼠线粒体DNA位点。通过将circRNA编码的mitobes v2注射到小鼠受精卵中，研究人员成功在小鼠体内实现了高达82%的编辑效率，且未检测到核基因组的脱靶效应。

  • 编辑效率的评估：研究人员在小鼠胚胎和F0代小鼠中评估了编辑效率。结果显示，circRNA编码的mitobes v2在小鼠胚胎中的编辑效率显著高于mRNA编码的版本，最高可达65%-82%。

  • 编辑的持久性与组织分布：研究人员在2个月和6个月大的小鼠中检测了编辑效率，发现编辑效果在多种组织中持久存在，且在不同组织中的编辑效率较为稳定。

3. 线粒体DNA编辑的遗传性

研究人员通过将编辑后的雌性小鼠与野生型雄性小鼠交配，研究了线粒体DNA编辑的遗传性。结果显示，编辑后的线粒体DNA能够通过母系遗传传递给后代，部分F1代小鼠的突变负载高达100%。这表明mitobes v2能够产生具有高突变负载的小鼠模型，为研究线粒体疾病的遗传机制提供了重要工具。

4. 疾病表型的评估

研究人员进一步评估了编辑后小鼠的疾病表型。结果显示，携带mt-ATP6 T8591C突变的小鼠表现出心率降低和左心室射血分数下降，这与Leigh综合征的症状相符。而携带mt-ND5 A12784G突变的小鼠则表现出视力下降，类似于Leber遗传性视神经病变（LHON）的症状。

研究结论

通过优化mitobes，研究人员成功开发了一种高效、精准的线粒体DNA编辑工具，能够在小鼠模型中模拟人类线粒体疾病的突变。该工具不仅具有高编辑效率和低脱靶效应，还能够通过母系遗传将编辑后的线粒体DNA传递给后代。研究结果表明，mitobes v2能够有效模拟Leigh综合征和LHON等线粒体疾病的表型，为疾病机制研究和治疗策略开发提供了重要工具。

研究亮点

  1. 高编辑效率与低脱靶效应：优化后的mitobes v2在小鼠模型中实现了高达82%的编辑效率，且未检测到核基因组的脱靶效应。

  2. 持久性与组织分布：编辑后的线粒体DNA在多种组织中持久存在，且在不同组织中的编辑效率较为稳定。

  3. 母系遗传性：编辑后的线粒体DNA能够通过母系遗传传递给后代，部分F1代小鼠的突变负载高达100%。

  4. 疾病表型的精准模拟：研究人员成功模拟了Leigh综合征和LHON等线粒体疾病的表型，为疾病机制研究和治疗策略开发提供了重要工具。

研究意义

该研究为线粒体疾病的精准建模提供了重要工具，不仅能够帮助研究人员更好地理解线粒体疾病的遗传机制，还为开发新的治疗策略奠定了基础。mitobes v2的高编辑效率和低脱靶效应使其在未来的基因治疗中具有广阔的应用前景。