線粒體（mitochondrion），是細(xì)胞的“能量工廠”，作為一種半自主細(xì)胞器，線粒體擁有一套獨(dú)立于細(xì)胞核的遺傳物質(zhì)——線粒體 DNA（mtDNA），人類 mtDNA 的長度為 16569bp，擁有 37 個基因，編碼 13 種蛋白，這些蛋白都參與細(xì)胞的呼吸和能量代謝。
mtDNA 易發(fā)生突變，包括堿基替換和缺失，從而導(dǎo)致多種線粒體疾病。據(jù)統(tǒng)計，大約 5000 個成年人中就有 1 人患有線粒體遺傳病。近年來，劉如謙團(tuán)隊(duì)等開發(fā)出了能夠精準(zhǔn)編輯線粒體 DNA（mtDNA）的基因編輯工具。然而，這些基因編輯工具只能實(shí)現(xiàn) mtDNA 的堿基替換或消除致病點(diǎn)突變，對于 mtDNA 的大規(guī)模缺失仍束手無策。
mtDNA 的大規(guī)模缺失，范圍從 1.8 - 8 kb 不等，是包括進(jìn)行性眼外肌麻痹（PEO）、Pearson 綜合征以及 Kearns-Sayre 綜合征在內(nèi)的線粒體疾病的常見原因，還與衰老和神經(jīng)退行性病變有關(guān)。因此，我們需要開發(fā)新技術(shù)以重建線粒體疾病相關(guān) mtDNA 缺失，從而深入研究這些疾病和開發(fā)相應(yīng)治療方法。
2025年3月10日，紀(jì)念斯隆凱特琳癌癥中心 Agnel Sfeir 團(tuán)隊(duì)（Yi Fu 博士為第一作者）在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：Engineering mtDNA deletions by reconstituting end joining in human mitochondria 的研究論文。
該研究通過在人類細(xì)胞中共表達(dá) DNA 末端連接（end-joining，EJ）機(jī)制和線粒體靶向的特異性核酸內(nèi)切酶，在一系列細(xì)胞中成功實(shí)現(xiàn)了約 3.5 kb 的 mtDNA 缺失，并進(jìn)一步探索了 mtDNA 缺失的生物學(xué)影響，發(fā)現(xiàn)了 75% 的異質(zhì)性閾值——缺失型 mtDNA 占比超過 75% 時，線粒體和細(xì)胞會出現(xiàn)嚴(yán)重功能受損。
這項(xiàng)研究不僅提供了工程化 mRNA 缺失的強(qiáng)大工具，還揭示了異質(zhì)性閾值對細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控機(jī)制，為構(gòu)建線粒體疾病模型、理解線粒體疾病發(fā)病機(jī)制以及開發(fā)治療方法奠定了重要基礎(chǔ)。
論文第一作者 Yi Fu 博士，2013年本科畢業(yè)于中山大學(xué)，博士畢業(yè)于紐約大學(xué)，現(xiàn)為華盛頓大學(xué)博士后研究員。
mtDNA 缺失主要是散發(fā)性的，通常不是典型遺傳性的，并且隨著時間的推移而累積，特別是在肌肉和腦等有絲分裂后組織中。在某些情況下，mtDNA 缺失的累積與核編碼的線粒體復(fù)制體成分的突變相關(guān)。通常情況下，突變型 mtDNA 與野生型 mtDNA 以異質(zhì)性狀態(tài)共存，并在異質(zhì)性水平超過臨界閾值時表現(xiàn)為臨床表型。
由于在人類細(xì)胞中編輯 mtDNA 和模擬致病 mtDNA 缺失的困難，導(dǎo)致其致病機(jī)制尚不清楚。特別是，缺失的 mtDNA 如何損害線粒體和細(xì)胞功能、它們以病理方式表現(xiàn)的閾值以及它們激活了什么轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，目前都不清楚。
在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一種簡單、高效且易于操作的雙組分系統(tǒng)，用于在不同細(xì)胞類型中實(shí)現(xiàn)特定的線粒體 DNA（mtDNA）缺失。該方法通過在人類細(xì)胞中共表達(dá) DNA 末端連接（end-joining，EJ）機(jī)制和線粒體靶向的特異性核酸內(nèi)切酶，在一系列細(xì)胞中成功實(shí)現(xiàn)了約 3.5 kb 的 mtDNA 缺失。
通過對這些 mtDNA 缺失的細(xì)胞進(jìn)一步研究，研究團(tuán)隊(duì)揭示了一個關(guān)鍵閾值——約 75% 的線粒體基因組缺失，超過這一閾值，就會觀察到細(xì)胞的氧化磷酸化（OXPHOS）蛋白耗竭、代謝紊亂以及在含半乳糖的培養(yǎng)基中生長受阻。進(jìn)一步的單細(xì)胞多組學(xué)分析鑒定出兩種不同的核基因失調(diào)反應(yīng)：一種在缺失閾值時被觸發(fā)，另一種則隨著異質(zhì)性逐漸增強(qiáng)而作出反應(yīng)。
最終，研究團(tuán)隊(duì)證明了這種方法能夠?qū)Σ煌?xì)胞類型中疾病相關(guān)線粒體 DNA 缺失進(jìn)行建模，并且能夠?yàn)榘邢虔煼ǖ拈_發(fā)提供信息。
該研究的核心發(fā)現(xiàn)：
● 末端連接與核酸內(nèi)切酶聯(lián)合作用可在人類細(xì)胞中誘導(dǎo)線粒體 DNA（mtDNA）缺失；
● 攜帶大規(guī)模 mtDNA 缺失的細(xì)胞群中呈現(xiàn)異質(zhì)性全譜分布；
● 異質(zhì)性達(dá)到約 75% 的閾值會引發(fā)線粒體及細(xì)胞功能障礙；
● 觀察到閾值觸發(fā)的核基因表達(dá)變化與異質(zhì)性動態(tài)感知調(diào)控機(jī)制。
這項(xiàng)研究不僅提供了工程化 mRNA 缺失的強(qiáng)大工具，還揭示了異質(zhì)性閾值對細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控機(jī)制，為構(gòu)建線粒體疾病模型、理解線粒體疾病發(fā)病機(jī)制以及開發(fā)治療方法奠定了重要基礎(chǔ)。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00194-1
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