两篇Nature Biotechnology：李大力/陈亮团队开发新型线粒体碱基编辑器，推动线粒体疾病建模和治疗

摘要：从 1968 年第一个限制性内切酶的发现、到 1985 年聚合酶链式反应（PCR）技术的发明，再到 2013 年CRISPR 基因编辑技术的应用，生物技术的每一个突破性发现都进一步提高了我们操纵 DNA 乃至调控生命蓝图的能力。特别是 CRISPR 基因编辑

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

从 1968 年第一个限制性内切酶的发现、到 1985 年聚合酶链式反应（PCR）技术的发明，再到 2013 年CRISPR 基因编辑技术的应用，生物技术的每一个突破性发现都进一步提高了我们操纵 DNA 乃至调控生命蓝图的能力。特别是 CRISPR 基因编辑技术的成功应用，让我们能以前所未有的效率对活细胞和个体进行全面的基因编辑，也让我们能够治疗之前无能为力的遗传疾病。

基因编辑技术在细胞核DNA（nDNA）的编辑中取得了辉煌的成绩，但是在线粒体DNA（mtDNA）编辑中却滞后很多。线粒体（mitochondrion）是细胞的“能量工厂”，线粒体内有一套独立于细胞核的遗传物质——线粒体DNA（mtDNA），由于线粒体在能量稳态中的重要作用，mtDNA 的突变会导致多种严重疾病。

2020 年，刘如谦团队开发了一种不依赖 CRISPR 的碱基编辑器——DdCBE，能够实现对 mtDNA 进行 C-to-T 编辑【1】。2022 年，韩国基础科学研究院金镇秀团队开发了TALED，将 DdCBE 中的尿嘧啶糖基化酶抑制剂（UGI）替换为腺苷脱氨酶 TadA-8e，实现了 mtDNA 的 A-to-G 编辑【2】。

然而，现有的 mtDNA 的 A-to-G 编辑效率低下，难以用于建立有表型的 mtDNA 突变动物模型，更不足以直接在动物体内原位修复 mtDNA 致病突变以治疗线粒体疾病。

2025 年 6 月 3 日，华东师范大学李大力团队和临港实验室陈亮团队合作，在Nature Biotechnology期刊同一天发表了两篇研究论文，论文标题分别为：Efficient mitochondrial A-to-G base editors for the generation of mitochondrial disease models和A mitochondrial disease model is generated and corrected using engineered base editors in rat zygotes。

研究团队通过对 TadA-8e 的定向进化改造，获得了一系列高活性、靶向范围更广的腺嘌呤脱氨酶变体，显著提升了细胞核DNA（nDNA）和线粒体DNA（mtDNA）腺嘌呤碱基编辑的靶向活性和靶向序列兼容性。进而开发了高性能的线粒体腺嘌呤碱基编辑器——eTd-mtABE，不仅展现了高效的编辑效率，并且保持低水平的 DNA 和 RNA 脱靶效应。

研究团队利用 eTd-mtABE 成功构建了感音神经性耳聋和Leigh 综合症大鼠疾病模型，并使用重新改造的 DdCBE 变体首次实现线粒体致病点突变的体内原位纠正，成功逆转了 Leigh 综合征的疾病表型。

在第一项研究中，研究团队利用定向进化技术发现 TadA-8e 的新变体，这些变体在细胞核DNA（nDNA）腺嘌呤碱基编辑和线粒体DNA（mtDNA）腺嘌呤碱基编辑方面具有显著增强的活性，并且在之前编辑效率低的序列背景也大幅提高编辑活性，扩大了靶向兼容性。

在此基础上改造的线粒体 DNA 腺嘌呤碱基编辑器（eTd-mtABE）在人类细胞中的编辑效率高达87%，并且对 DNA 和 RNA 的脱靶效应显著降低。TadA变体结合原先报道的切口酶策略，在不影响编辑精度的同时实现了更高效率的mtDNA链选择性编辑，平均提高了3.2倍。在大鼠细胞中，eTd-mtABE 的编辑效率提高了 145 倍。研究团队还通过胚胎注射引入了致病 mtDNA 点突变，生成了感音神经性耳聋大鼠模型，突变频率高达 44%。

总的来说，该研究开发 eTd-mtABE 是用于基础研究和转化研究的高效且精准的线粒体 DNA 碱基编辑工具。

在第二项研究中，研究团队通过胚胎注射 eTd-mtABE，在 F0 代高效生成了（高达 74%）Leigh 综合征大鼠模型，这些大鼠模型表现出严重的运动功能障碍和心脏功能受损。

为了进一步精准纠正这种突变，研究团队工程化改造设计了一种精准 mtDNA 的 C-to-T 碱基编辑器（改进的 DdCBE），并将其注射到到近乎纯合突变的大鼠受精卵中，实现了平均高达 53% 的野生型 mtDNA 恢复，更重要的是，这种高效且精准的体内编辑使得 Leigh 综合征大鼠模型的肌肉和心脏功能改善至野生型大鼠水平。

总的来说，研究团队开发了一种超高活性、低脱靶的新型线粒体腺嘌呤碱基编辑器——eTd-mtABE，可实现快速的 mtDNA 疾病动物模型构建，为推进线粒体功能和疾病研究提供了强有力的工具。研究团队还升级了高精度 DdCBE 变体，实现了对 Leigh 综合症的碱基编辑治疗，证明了基于线粒体基因编辑技术介导的 mtDNA 致病点突变原位纠正的可行性和有效性，这为后续线粒体基因编辑器用于线粒体疾病的基因治疗研究提供了范式。

对于这两项研究，Nature Biotechnology期刊同期发表了题为：Base editors model mitochondrial disease 的新闻与观点文章，文章指出，李大力/陈亮团队的这两项研究通过优化基于 TALE 的碱基编辑器，成功构建了线粒体疾病的大鼠模型，并在下一代中逆转该疾病突变。

同时，Nature Biotechnology期刊还发表了题为：Powering new therapeutics with precision mitochondrial editing 的社论，该社论指出，李大力/陈亮等人开发的一系列精准线粒体 DNA 编辑器，标志着线粒体疾病动物建模的巨大进展，突显了工程碱基编辑系统在精准编辑线粒体 DNA 方面的潜力。未来的研究有望将这一技术从啮齿动物模型扩展到大型动物模型，并最终迈向临床应用。