ミトコンドリア疾患の精密モデリング：最適化されたmitobesに基づく研究

学術的背景

ミトコンドリア疾患は、ミトコンドリアDNA（mtDNA）の変異によって引き起こされる遺伝性疾患の一種で、細胞のエネルギー代謝に影響を与え、さまざまな臓器の機能障害を引き起こします。ミトコンドリアDNAの変異は、同質的（すべてのmtDNAコピーに影響を与える）または異質的（変異型と野生型のmtDNAが共存する）である場合があります。これらの変異は人口において比較的稀ですが、一度発生すると重篤な臨床症状を引き起こすことが多く、Leigh症候群やLeber遺伝性視神経症（LHON）などの疾患が知られています。適切な動物モデルの不足により、ミトコンドリア疾患の研究と治療の進展が制限されています。そのため、ヒトのミトコンドリア疾患を正確に模倣する動物モデルの開発が重要です。

本研究では、ミトコンドリア塩基編集ツール（mitobes）を最適化し、オフターゲット効果を減らし、編集効率と精度を向上させることで、ミトコンドリア疾患の精密モデリングのためのツールを提供することを目指しています。この技術により、研究者はマウスモデルでヒトのミトコンドリア疾患の変異を模倣し、疾患のメカニズム研究や治療戦略の開発の基盤を築くことができます。

論文の出典

この研究は、Xiaoxue Zhang、Xue Zhang、Jiwu Ren、Jiayi Li、Xiaoxu Wei、Ying Yu、Zongyi Yi、およびWensheng Weiによって共同で行われました。研究チームは、Changping Laboratory、Peking University Genome Editing Research Center、およびPeking-Tsinghua Center for Life Sciencesに所属しています。この論文は2024年11月28日にNature誌に受理され、2024年12月にオンラインで発表されました。

研究のプロセス

1. mitobesの最適化と開発

研究チームはまず、ミトコンドリア塩基編集ツール（mitobes）を最適化し、転写産物およびミトコンドリアゲノムに対するオフターゲット効果を減らすことを目指しました。mitobesは、一本鎖DNAデアミナーゼとニック酵素を組み合わせた遺伝子編集ツールで、ミトコンドリアDNAにおいてC-to-TおよびA-to-Gの塩基編集を可能にします。編集効率と精度をさらに向上させるために、研究者はデアミナーゼを工学的に改変しました。

• A-to-Gエディターの最適化：研究者は、飽和変異スクリーニングを通じて、Tada8e-V106Wタンパク質中のV28F変異が編集効率を大幅に向上させ、転写産物レベルのオフターゲット効果を減少させることを発見しました。最適化されたmitoABE v2は、マウス細胞において編集効率を14％から26％に向上させました。

• C-to-Tエディターの最適化：研究者は16種類の異なるシトシンデアミナーゼをテストし、CBE6Dが編集効率とオフターゲット効果の面で最も優れていることを発見しました。最適化されたmitoCBE v2は、マウス細胞において60％の編集効率を達成し、オフターゲット効果が大幅に減少しました。

2. マウスモデルにおけるミトコンドリアDNA編集

研究者は、最適化されたmitobes v2を使用して、ヒトの病原性変異に類似した70のマウスミトコンドリアDNA部位を標的として編集しました。circRNAでコードされたmitobes v2をマウスの受精卵に注入することで、研究者はマウス体内で最大82％の編集効率を達成し、核ゲノムにおけるオフターゲット効果は検出されませんでした。

• 編集効率の評価：研究者は、マウス胚およびF0世代のマウスにおいて編集効率を評価しました。結果は、circRNAでコードされたmitobes v2が、mRNAでコードされたバージョンよりもマウス胚において高い編集効率を示し、最大で65％から82％に達しました。

• 編集の持続性と組織分布：研究者は、2ヶ月および6ヶ月齢のマウスにおいて編集効率を測定し、編集効果が複数の組織で持続し、異なる組織間で編集効率が比較的安定していることを確認しました。

3. ミトコンドリアDNA編集の遺伝性

研究者は、編集された雌マウスを野生型の雄マウスと交配させることで、ミトコンドリアDNA編集の遺伝性を研究しました。結果は、編集されたミトコンドリアDNAが母系を通じて子孫に伝達され、一部のF1世代マウスでは変異負荷が100％に達することが示されました。これは、mitobes v2が高変異負荷を持つマウスモデルを生成できることを示しており、ミトコンドリア疾患の遺伝メカニズムの研究に重要なツールを提供します。

4. 疾患表現型の評価

研究者は、編集されたマウスの疾患表現型をさらに評価しました。結果は、mt-ATP6 T8591C変異を持つマウスが心拍数の低下と左心室駆出率の低下を示し、これはLeigh症候群の症状と一致しました。一方、mt-ND5 A12784G変異を持つマウスは視力の低下を示し、Leber遺伝性視神経症（LHON）の症状に類似していました。

研究の結論

mitobesを最適化することで、研究者はヒトのミトコンドリア疾患の変異をマウスモデルで模倣するための効率的で精密なミトコンドリアDNA編集ツールを開発することに成功しました。このツールは高い編集効率と低いオフターゲット効果を持ち、編集されたミトコンドリアDNAを母系を通じて子孫に伝達することができます。研究結果は、mitobes v2がLeigh症候群やLHONなどのミトコンドリア疾患の表現型を効果的に模倣できることを示しており、疾患のメカニズム研究や治療戦略の開発に重要なツールを提供します。

研究のハイライト

1. 高い編集効率と低いオフターゲット効果：最適化されたmitobes v2は、マウスモデルで最大82％の編集効率を達成し、核ゲノムにおけるオフターゲット効果は検出されませんでした。

2. 持続性と組織分布：編集されたミトコンドリアDNAは、複数の組織で持続し、異なる組織間で編集効率が比較的安定していました。

3. 母系遺伝性：編集されたミトコンドリアDNAは、母系を通じて子孫に伝達され、一部のF1世代マウスでは変異負荷が100％に達しました。

4. 疾患表現型の精密な模倣：研究者は、Leigh症候群やLHONなどのミトコンドリア疾患の表現型を効果的に模倣し、疾患のメカニズム研究や治療戦略の開発に重要なツールを提供しました。

研究の意義

この研究は、ミトコンドリア疾患の精密モデリングに重要なツールを提供し、研究者がミトコンドリア疾患の遺伝メカニズムをより深く理解するのに役立つだけでなく、新しい治療戦略の開発の基盤を築くものです。mitobes v2の高い編集効率と低いオフターゲット効果は、将来の遺伝子治療において広範な応用が期待されます。