继1月9日的首篇Science，1月15日的首篇Nature以及1月16日的第二篇Science之后，1月22日北京大学再发第2篇Nature！
北京大学，2025年首篇Science！
燃炸了！北京大学，2025年首篇Nature！开年两周已集齐Nature/Science！
仅一周，北大周欢萍教授再发Science！
动物模型的发展，对于研究和治疗线粒体疾病至关重要。
在此，来自北京大学的伊宗裔&魏文胜等研究者优化了腺嘌呤和胞嘧啶脱氨酶，以减少转录组和线粒体基因组的脱靶效应，提高研究者新开发的线粒体碱基编辑器（mitoBEs）的准确性和效率。相关论文以题为“Precise modelling of mitochondrial diseases using optimized mitoBEs”于2025年01月22日发表在Nature上。
文献解读
线粒体DNA（mtDNA）通常以多拷贝形式存在，包括大约16千碱基的环状双链DNA分子，在人类和小鼠细胞中均有分布。它编码与氧化磷酸化相关的13种蛋白质、22种转运RNA（tRNA）和2种核糖体RNA（rRNA）。
mtDNA的突变可以是纯合型（homoplasmic），即影响所有mtDNA拷贝；也可以是异质型（heteroplasmic），即突变型和野生型mtDNA共存。这些突变会破坏线粒体功能，在每5000人中大约有1人受到影响。
与线粒体突变相关的最著名疾病包括Leigh综合征和Leber遗传性视神经病变（LHON）。Leigh综合征的症状包括发育迟缓、肌张力低下、运动和呼吸问题、眼球运动障碍、面部畸形、癫痫发作以及共济失调。
LHON则表现为视力丧失、中心暗点、视神经萎缩、眼球震颤和色觉异常。这些线粒体疾病通常在婴儿期或成年期发病，影响心脏、眼睛、耳朵及神经系统等重要器官。
由于缺乏合适的动物模型，线粒体疾病的研究和治疗受到了阻碍，因此开发相应模型对于推动研究至关重要。
传统上，线粒体疾病的小鼠模型通过化学诱导和基因工程技术生成。然而，这些方法对突变的控制精度较低，且过程复杂、成本高昂，成功获得的模型极为有限。
随着转录激活样效应因子核酸酶（TALENs）和锌指核酸酶（ZFNs）等基因编辑工具的出现，人们能够更直接地操作mtDNA，但实现精确碱基改变仍然面临挑战。
近年来，不同实验室开发了能够在mtDNA上进行C-to-T和A-to-G碱基编辑的工具，例如DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器（DdCBEs）和TALE连接脱氨酶（TALEDs），它们利用了DddA蛋白的双链DNA脱氨酶活性。
研究者实验室最近开发了一种新工具，称为mitoBEs，将切口酶与单链DNA脱氨酶相结合，可实现mtDNA的C-to-T和A-to-G碱基编辑。
与DdCBEs和TALEDs相比，mitoBEs表现出较高的效率和链特异性，同时在线粒体和核基因组中的脱靶效应极低。因此，mitoBEs特别适合用于构建精确的线粒体疾病动物模型。
迄今为止，已发现97种与疾病相关的线粒体突变，其中92种为点突变。在这些点突变中，有85种可通过mitoBEs进行建模，从而实现精确编辑并潜在用于治疗。
在本研究中，为了更准确地将疾病表型与基因型相关联，研究者进一步提高了mitoBEs的精确性，以促进线粒体疾病动物模型的开发。
研究表明，环状RNA编码的mitoBEs v2在小鼠中实现了高达82%的编辑效率，并且在核基因组中未检测到脱靶效应。编辑后的线粒体DNA能够在多种组织中持续存在，并以母系遗传的方式传递至后代。
F1代小鼠的突变载量最高达到100%，部分小鼠仅在目标位点实现了编辑。
通过优化转录激活样效应因子（TALE）结合位点，研究者开发了一种针对mt-Nd5 A12784G突变的单碱基编辑小鼠模型。
表型评估结果表明，针对mt-Atp6 T8591C和mt-Nd5 A12784G突变的小鼠模型分别表现出与Leigh综合征中心率降低和Leber遗传性视神经病变中视力丧失相对应的表型。
此外，研究发现mt-Atp6 T8591C突变比mt-Nd5 A12784G突变更具破坏性，不仅影响胚胎发育，还会在后代中迅速减少。
这一升级版mitoBEs提供了一种高效且精确的策略，用于构建线粒体疾病模型，为该领域的进一步研究奠定了重要基础。
图文解析
图1 mitoBEs的精度优化。
图2 在神经-2a细胞中筛选mitoBEs v2高效编辑的同源致病位点。
图3 利用mitoBEs v2建立具有干净遗传背景的线粒体疾病小鼠模型。
图4 线粒体编辑的结果是组织范围的、持久的和可遗传的。
图5 mt-Atp6 T8591C(6*)和mt-Nd5 A12784G(3*) F0小鼠的疾病表型。
展望未来，mitoBEs v2的治疗潜力是有希望的，特别是与腺相关病毒或脂质纳米颗粒等输送系统。具体而言，mitoCBE v2可以解决A-to-G(T-to-C)突变引起的疾病，而mitoABE v2适合解决C-to-T(G-to-A)突变。这些模型将推进线粒体疾病的研究和治疗策略。
参考文献Zhang, X., Zhang, X., Ren, J. et al. Precise modelling of mitochondrial diseases using optimized mitoBEs.Nature(2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08469-8
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08469-8
http://weilab.pku.edu.cn/
