上海科技大学陈佳团队开发新型线粒体基因编辑工具，实现编辑效率与精度的双重飞跃

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

线粒体，被称为细胞的“能量工厂”，其内部的 DNA（mtDNA）掌控着能量代谢的关键基因。mtDNA 的突变会引发多种严重遗传病，例如 Leigh综合征、MELAS 综合征等。然而，传统的 CRISPR 基因编辑工具难以编辑线粒体 DNA，科学家们一直在寻找突破。

2025 年 3 月 25 日，上海科技大学陈佳团队在Nature Biotechnology期刊发表了题为：Leveraging base excision repair for efficient adenine base editing of mitochondrial DNA 的研究论文，带来了线粒体基因编辑的“超能武器”。

该研究揭示了线粒体 DNA 腺嘌呤碱基编辑器TALED的工作机制，并进一步开发出了一系列增强型工具——eTALED6，显著提升了线粒体基因编辑的效率与精准度，为线粒体疾病建模和治疗提供了新工具。

线粒体DNA编辑的世纪难题

线粒体疾病影响着全球 1/5000 的新生儿，患者因线粒体 DNA（mtDNA）上的 A-to-G 或C-to-T 碱基替换导致能量代谢崩溃。尽管 CRISPR 基因编辑技术已趋于成熟，但线粒体的特殊结构让其束手无策：向导 RNA（gRNA）无法穿透线粒体膜，且线粒体 DNA 的超螺旋结构难以解旋。

2020 年 7 月，刘如谦团队在Nature期刊发表论文【2】，开发了一种不依赖 CRISPR 的碱基编辑器——DdCBE，能够实现对线粒体 DNA 的精准编辑，为研究线粒体遗传病和治疗线粒体遗传病带来了全新工具，但这一工具也有其局限性，只能对线粒体 DNA 进行C-to-T碱基转换。

2022 年 4 月，韩国基础科学研究院金镇秀团队在Cell发表论文【3】，开发了一种新型线粒体碱基编辑平台——TALED（转录激活因子样效应物连接的脱氨酶），首次实现了在线粒体 DNA 的A-to-G碱基转换，大大扩展了线粒体基因编辑的范围。

TALED 通过融合 TALE 蛋白、双链 DNA 脱氨酶 DddA 以及单链脱氨酶 TadA8e，首次实现了对线粒体 DNA 的 A-to-G 碱基编辑。然而，谜团仍未解开——这种编辑究竟如何发生？为何效率有限？

破解TALED的编辑机制

在这项最新研究中，陈佳团队通过一系列精巧实验，证实了 TALED 并非直接在双链 DNA 上进行 A-to-G 编辑，而是依赖 DddA 诱导 C-to-U 的脱氨反应，触发线粒体碱基切除修复（BER）过程，具体机制如下：

1、DddA 打头阵：在目标区域触发 C-to-U 脱氨，产生“错误”的尿嘧啶（U）；

2、细胞启动修复：尿嘧啶糖苷酶（UDG）切除 U，形成无碱基位点（AP位点）；

3、DNA 链断裂：AP内切酶切割产生单链缺口，线粒体核酸酶 MGME1 进一步扩大缺口；

4、TadA8e 登场：单链区域暴露后，TadA8e 精准催化 A-to-I（次黄嘌呤）编辑；

5、永久改写：细胞修复系统将 I 识别为 G，最终实现 A-to-G 编辑。

TALED 介导的 A-to-G 编辑依赖于 BER

这一发现颠覆了以往认为的“DddA 通过解旋 DNA 辅助编辑”的假说，首次证明了线粒体碱基切除修复（BER）是编辑的关键推手。

升级版eTALED：效率与精度的双重飞跃

基于上述编辑机制的发现，陈佳团队开发了升级版 TALED 编辑器——eTALED：

1、动力升级：使用高活性突变体 DddA6 替换原始 DddA，编辑效率提升 3 倍；

2、精准导航：融合人源 UDG 加速修复过程，关键位点编辑效率突破 70%；

3、智能降噪：改造 TadA8e 的底物识别域（V28R突变），将编辑窗口从 15bp 缩至 4bp；

4、双重保险：新工具 eTALED6R 的 RNA 脱靶率降低为原来的 1/60，DNA 脱靶率仅为传统工具的 1/26；

接下来，陈佳团队利用 eTALED6 和 eTALED6R 在线粒体基因组中模拟了与Leigh 综合征和MELAS 综合征相关的致病突变 m.A13514G，精准度达 48.8%，且未出现明显细胞毒性，更令人振奋的是，编辑后的细胞线粒体耗氧率显著下降，可完美模拟疾病表型。

随着 eTALED 的优化，未来或将实现：单碱基水平的线粒体基因组修复；开发出多种线粒体疾病的通用治疗方案；实现细胞核 DNA 与线粒体 DNA 的协同编辑。

总的来说，该研究不仅填补了 TALED 编辑器的分子机制研究的空白，还在此基础上进一步构建了一系列精准、高效、低脱靶性的新型线粒体腺嘌呤碱基编辑工具，这些新工具在线粒体疾病建模、遗传修复和相关基础研究中具有广泛应用前景。

上海科技大学陈佳教授为论文通讯作者，陈佳课题组博士研究生樊煜航、许文超，中国科学院上海营养与健康研究所博士研究生高宝青为论文共同第一作者。

论文链接：

1. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00389-0

2. https://www.nature.com/articles/s41587-025-02608-w

3. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2477-4