新闻动态 News

2026年8月26日，北京大学、昌平国家实验室魏文胜课题组受邀在Nature Reviews Bioengineering在线发表题为“Mitochondrial genome editing”的综述文章。该论文系统梳理了线粒体基因组编辑技术的发展历程，重点总结了突变线粒体DNA靶向清除和线粒体碱基编辑两类主要技术的发展及特点，进一步阐述了相关工具在线粒体疾病模型构建和潜在治疗中的应用，并对该领域面临的关键技术挑战及未来发展方向进行了展望。

线粒体基因组编辑：基因组编辑领域的重要挑战

线粒体是细胞能量代谢的重要场所，拥有独立于细胞核的线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）。人类mtDNA全长16,569 bp，编码13个氧化磷酸化系统蛋白、22种tRNA和2种rRNA，并具有母系遗传和异质性（heteroplasmy）等独特特征。致病性mtDNA突变可导致Leber遗传性视神经病变（Leber hereditary optic neuropathy，LHON）、Leigh综合征、线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒和卒中样发作（mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes，MELAS）等多种线粒体疾病，同时也与神经退行性疾病、衰老及肿瘤等过程密切相关（图1）。

与核基因组不同，mtDNA位于线粒体内部，线粒体膜系统尤其是内膜构成了核酸递送的重要屏障。因此，传统CRISPR/Cas介导的基因组编辑体系难以直接应用于mtDNA，使线粒体基因组长期以来成为基因组编辑领域的重要技术难点。

图1 线粒体基因组突变与人类疾病

从突变清除到精准碱基编辑：线粒体基因组编辑技术的演进

早期线粒体基因组编辑主要依赖靶向核酸酶选择性切割并清除突变mtDNA。由于线粒体缺乏类似细胞核的高效DNA双链断裂修复机制，被切割的mtDNA通常会快速降解。基于这一特点，研究人员先后开发了线粒体靶向限制性内切酶（mitochondrial-targeted restriction endonucleases，mitoREs）、线粒体锌指核酸酶（mitochondrial zinc-finger nucleases，mtZFNs）、线粒体TALE核酸酶（mitochondrial transcription activator-like effector nucleases，mitoTALENs）以及mitoARCUS等工具，通过特异性切割突变mtDNA，促进其选择性降解，并利用剩余野生型mtDNA的复制扩增降低突变负荷，从而实现线粒体异质性水平的重塑。

这类方法为线粒体疾病干预提供了重要思路，但其基本原理是选择性清除突变mtDNA，而非直接改写致病序列。因此，对于同质性突变等缺乏足够野生型mtDNA的情况，这类策略存在一定局限，同时也难以实现对特定DNA序列的精准改变。

双链DNA胞嘧啶脱氨酶DddA的发现推动了线粒体碱基编辑技术的发展。通过将DddA分体与转录激活因子样效应蛋白（transcription activator-like effector, TALE）融合，并引入尿嘧啶DNA糖基化酶抑制剂（uracil glycosylase inhibitor, UGI），研究人员开发了线粒体胞嘧啶碱基编辑器DdCBEs，首次实现了线粒体基因组中的C-to-T碱基编辑¹。在此基础上，研究人员进一步引入腺嘌呤脱氨酶TadA8e，开发了线粒体腺嘌呤碱基编辑器TALEDs，实现了A-to-G碱基转换，从而进一步拓展了线粒体碱基编辑的类型²。

随后出现的新型线粒体碱基编辑工具mitoBEs和mtCyDENTs，通过引入DNA切口酶模块，促进靶位点附近单链DNA底物的形成和暴露，从而实现更高效的A-to-G或C-to-T碱基编辑。相比此前工具，mitoBEs表现出较好的链选择性，并具有较低的全基因组范围脱靶水平³（图2）。

图2 线粒体基因组碱基编辑器汇总

线粒体基因组编辑助力疾病模型构建

线粒体基因组编辑技术的重要应用之一，是构建携带特定致病mtDNA变异的疾病模型。在可编程线粒体编辑技术出现之前，线粒体疾病动物模型主要依赖细胞融合、随机突变积累以及多代繁育筛选等方法。这些传统方法通常效率较低、周期较长，并可能同时携带多个连锁mtDNA突变，从而增加基因型与表型关系解析的复杂性。

随着线粒体碱基编辑技术的发展，研究人员已经能够在小鼠、大鼠等动物模型中定向引入特定mtDNA突变，构建模拟人类线粒体疾病的疾病动物模型。本课题组前期利用优化后的mitoBEs建立了多种携带致病mtDNA突变的小鼠模型，并观察到与相应突变相关的疾病表型，为线粒体疾病的机制研究和治疗策略评估提供了重要模型资源⁴。

与此同时，这些模型也为研究线粒体遗传特有的异质性动态、不同组织间的突变负荷差异以及母系遗传过程中的遗传瓶颈提供了重要工具。由于同一母本的不同后代可能继承不同水平的突变mtDNA，研究人员能够进一步解析异质性水平与疾病发生及表型严重程度之间的关系。

 

从降低突变负荷到直接改写致病序列：线粒体基因组编辑的治疗潜力

对于线粒体疾病治疗方面，线粒体基因组编辑同样展现出重要潜力。针对异质性致病突变，mitoTALENs、mtZFNs等靶向核酸酶可以选择性清除突变mtDNA，为野生型mtDNA的复制扩增提供选择优势，从而降低致病突变负荷。

另一方面，DdCBEs、TALEDs和mitoBEs等碱基编辑器则为直接改写致病mtDNA序列提供了新的可能，使线粒体疾病干预策略进一步从“改变突变比例”拓展至“直接精准修复致病遗传变异”。目前，多种线粒体编辑工具已经在细胞、类器官及动物模型中开展治疗相关研究。例如，有研究通过AAV体内递送TALEDs，在LHON线粒体疾病小鼠模型中实现致病突变的纠正，并改善了小鼠的视觉功能⁵。这些研究表明，线粒体基因组编辑正在逐步从基础研究和疾病模型构建工具，拓展为具有潜在治疗价值的线粒体遗传病干预策略。

 

当前挑战与未来展望

尽管近年来线粒体基因组编辑取得了快速进展，但该领域仍面临编辑效率、编辑类型和编辑特异性等方面的挑战。目前，线粒体碱基编辑主要集中于C-to-T和A-to-G两类碱基转换，而相当一部分致病mtDNA变异尚无法通过现有工具直接改写。因此，进一步拓展线粒体基因组可实现的编辑类型，是未来发展的重要方向。

与此同时，现有线粒体碱基编辑器仍可能产生旁位编辑，并存在核基因组或线粒体基因组脱靶的潜在风险。如何在维持较高编辑效率的同时进一步提升编辑特异性，将是推动线粒体编辑技术向疾病治疗应用发展的关键。

体内递送则是线粒体基因组编辑迈向临床应用面临的另一项核心挑战。线粒体疾病通常可累及神经、心脏和骨骼肌等多个器官，因此不仅需要实现编辑工具向目标组织的高效递送，还需进一步跨越细胞膜及线粒体膜等多重生物学屏障。工程化AAV、脂质纳米颗粒以及其他非病毒递送体系的发展，有望为提高组织靶向性、递送效率、载荷能力和安全性提供新的解决方案。

未来，通过进一步拓展粒体基因组编辑类型、提高编辑效率与特异性，并结合新型递送技术，线粒体基因组编辑有望持续深化人们对线粒体遗传规律、疾病发生机制及异质性动态的认识，并推动相关研究从疾病模型构建进一步走向精准干预与治疗。

昌平国家实验室博士后张小雪（共同通讯作者）和北京大学博士生魏晓旭为论文共同第一作者。该研究得到昌平国家实验室、北大-清华生命科学联合中心、北京大学生物医学前沿创新中心以及基因功能研究与操控全国重点实验室的支持。

论文链接：https://rdcu.be/fCdti

相关文献

1      Mok, B. Y. et al. A bacterial cytidine deaminase toxin enables CRISPR-free mitochondrial base editing. Nature 583, 631-637 (2020). https://doi.org:10.1038/s41586-020-2477-4

2      Cho, S. I. et al. Targeted A-to-G base editing in human mitochondrial DNA with programmable deaminases. Cell 185, 1764-1776.e1712 (2022). https://doi.org:10.1016/j.cell.2022.03.039

3      Yi, Z. et al. Strand-selective base editing of human mitochondrial DNA using mitoBEs. Nat Biotechnol 42, 498-509 (2024). https://doi.org:10.1038/s41587-023-01791-y

4      Zhang, X. et al. Precise modelling of mitochondrial diseases using optimized mitoBEs. Nature 639, 735-745 (2025). https://doi.org:10.1038/s41586-024-08469-8

5      Kim, S. et al. In vivo mitochondrial base editing restores genotype and visual function in a mouse model of LHON. Nat Commun 16, 10923 (2025). https://doi.org:10.1038/s41467-025-66600-3