Cell系列綜述：韓雪祥/徐瑩/魏迎輝系統(tǒng)解讀線粒體基因編輯的工具與遞送技術(shù)

編譯丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

線粒體是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中受雙重遺傳控制的半自主細(xì)胞器。在超過二十億年的進(jìn)化過程中，線粒體保留了兩個(gè)關(guān)鍵特征——作為“能量工廠”生成 ATP 的能力，以及被雙層膜包裹的環(huán)狀線粒體 DNA（mtDNA）。

線粒體 DNA 編碼了 22 種轉(zhuǎn)運(yùn) RNA（tRNA）、2 種核糖體 RNA（rRNA）和 13 種蛋白質(zhì)。tRNA 和 rRNA 參與線粒體基質(zhì)內(nèi)的蛋白質(zhì)翻譯，而 13 種蛋白質(zhì)則作為線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）系統(tǒng)的亞基，該系統(tǒng)對于電子和質(zhì)子的轉(zhuǎn)運(yùn)至關(guān)重要。然而，大多數(shù) OXPHOS 蛋白質(zhì)（至少 70 種）由核基因編碼，隨后被導(dǎo)入線粒體。因此，核基因或 mtDNA 的紊亂，都會(huì)破壞線粒體呼吸鏈，損害 ATP 生成，并導(dǎo)致線粒體功能障礙。這些疾病被歸類為原發(fā)性線粒體疾病（PMD），通常表現(xiàn)為復(fù)雜的多器官受累，且往往難以治療。

由于線粒體 DNA（mtDNA）的多拷貝特性，其突變通常表現(xiàn)為基因型與表型之間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)，且個(gè)體差異顯著。由于線粒體的雙層膜結(jié)構(gòu)，靶向 mtDNA 的基因修飾受到限制，這阻礙了疾病建模、發(fā)病機(jī)制的理解以及治療手段的發(fā)展。

近年來，通過線粒體靶向肽，細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)的基因編輯蛋白已成功被遞送至線粒體，在體外和體內(nèi)模型中實(shí)現(xiàn)了 mtDNA 突變的靶向建立和校正。然而，提高編輯效率和減少脫靶效應(yīng)仍是工具開發(fā)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。此外，開發(fā)能夠靶向多個(gè)組織的遞送系統(tǒng)將增強(qiáng)線粒體基因編輯的臨床適用性。

2025 年 11 月 13 日，中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心韓雪祥、華東師范大學(xué)藥學(xué)院徐瑩、西北農(nóng)林大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院魏迎輝等在 Cell 子刊 Cell Biomaterials 上發(fā)表了題為：Tools and delivery technologies for mitochondrial gene editing 的綜述論文。

該綜述概述了適用于不同遺傳背景的各種線粒體基因編輯工具以及當(dāng)前的細(xì)胞質(zhì)靶向遞送技術(shù)。這些遞送策略依賴于線粒體蛋白質(zhì)導(dǎo)入機(jī)制的完整性，但受限于導(dǎo)入效率低，尤其是對于大型的編輯蛋白而言。該綜述還總結(jié)了繞過線粒體膜直接將轉(zhuǎn)基因/蛋白質(zhì)遞送至線粒體基質(zhì)的線粒體靶向遞送技術(shù)，作為一種潛在替代方案，旨在啟發(fā)線粒體基因編輯應(yīng)用的創(chuàng)新遞送方法。

線粒體 DNA（mtDNA）是一種獨(dú)立于細(xì)胞核 DNA 的多拷貝環(huán)狀基因組，在細(xì)胞能量產(chǎn)生中發(fā)揮著不可或缺的作用。致病性 mtDNA 突變常常導(dǎo)致使人衰弱的多系統(tǒng)疾病。

基因編輯技術(shù)的最新進(jìn)展推動(dòng)了新型 mtDNA 操作工具的發(fā)展。然而，安全有效地將其遞送至靶細(xì)胞或器官，對于開發(fā)成功的線粒體療法至關(guān)重要。

在這篇綜述中，作者們系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前線粒體基因編輯工具的現(xiàn)狀，并重點(diǎn)關(guān)注其優(yōu)化過程。該綜述回顧了用于生成或糾正 mtDNA 突變的細(xì)胞質(zhì)靶向遞送技術(shù)。還討論了線粒體靶向遞送技術(shù)及其在線粒體基因治療中的應(yīng)用，并展望了其在原位 mtDNA 編輯方面的潛力。最后，作者們?yōu)榫€粒體基因編輯的進(jìn)一步發(fā)展提供了觀點(diǎn)。

線粒體基因編輯的異質(zhì)性動(dòng)態(tài)及機(jī)制基礎(chǔ)

線粒體靶向的核酸酶

線粒體靶向的堿基編輯器

通過細(xì)胞質(zhì)靶向遞送技術(shù)實(shí)現(xiàn)線粒體基因編輯的分配位點(diǎn)表達(dá)策略

細(xì)胞質(zhì)靶向遞送技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用

線粒體靶向的基因遞送技術(shù)的關(guān)鍵里程碑

線粒體靶向的納米載體的組成與應(yīng)用

總的來說，持續(xù)開發(fā)高效且安全的線粒體基因編輯工具，并結(jié)合針對患者個(gè)體的遞送載體，對于推進(jìn)這一領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。創(chuàng)新的線粒體靶向遞送技術(shù)具有顯著潛力，能夠提高線粒體 DNA 的可及性，推動(dòng)線粒體遺傳學(xué)研究，并最終解鎖線粒體 DNA 編輯的治療應(yīng)用。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00245-4