線(xiàn)粒體（mitochondrion），是細胞的“能量工廠(chǎng)”，作為一種半自主細胞器，線(xiàn)粒體擁有一套獨立于細胞核的遺傳物質(zhì)——線(xiàn)粒體 DNA（mtDNA），人類(lèi) mtDNA 的長(cháng)度為 16569bp，擁有 37 個(gè)基因，編碼 13 種蛋白，這些蛋白都參與細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，從而導致多種線(xiàn)粒體疾病。據統計，大約 5000 個(gè)成年人中就有 1 人患有線(xiàn)粒體遺傳病。近年來(lái)，劉如謙團隊等開(kāi)發(fā)出了能夠精準編輯線(xiàn)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 mtDNA 的堿基替換或消除致病點(diǎn)突變，對于 mtDNA 的大規模缺失仍束手無(wú)策。
mtDNA 的大規模缺失，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 綜合征在內的線(xiàn)粒體疾病的常見(jiàn)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(kāi)發(fā)新技術(shù)以重建線(xiàn)粒體疾病相關(guān) mtDNA 缺失，從而深入研究這些疾病和開(kāi)發(fā)相應治療方法。
2025年3月10日，紀念斯隆凱特琳癌癥中心 Agnel Sfeir 團隊（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(guò)在人類(lèi)細胞中共表達 DNA 末端連接（end-joining，EJ）機制和線(xiàn)粒體靶向的特異性核酸內切酶，在一系列細胞中成功實(shí)現了約 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)現了 75% 的異質(zhì)性閾值——缺失型 mtDNA 占比超過(guò) 75% 時(shí)，線(xiàn)粒體和細胞會(huì )出現嚴重功能受損。
這項研究不僅提供了工程化 mRNA 缺失的強大工具，還揭示了異質(zhì)性閾值對細胞命運的調控機制，為構建線(xiàn)粒體疾病模型、理解線(xiàn)粒體疾病發(fā)病機制以及開(kāi)發(fā)治療方法奠定了重要基礎。
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(zhù)時(shí)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(xiàn)粒體復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(guò)臨界閾值時(shí)表現為臨床表型。
由于在人類(lèi)細胞中編輯 mtDNA 和模擬致病 mtDNA 缺失的困難，導致其致病機制尚不清楚。特別是，缺失的 mtDNA 如何損害線(xiàn)粒體和細胞功能、它們以病理方式表現的閾值以及它們激活了什么轉錄反應，目前都不清楚。
在這項最新研究中，研究團隊設計了一種簡(jiǎn)單、高效且易于操作的雙組分系統，用于在不同細胞類(lèi)型中實(shí)現特定的線(xiàn)粒體 DNA（mtDNA）缺失。該方法通過(guò)在人類(lèi)細胞中共表達 DNA 末端連接（end-joining，EJ）機制和線(xiàn)粒體靶向的特異性核酸內切酶，在一系列細胞中成功實(shí)現了約 3.5 kb 的 mtDNA 缺失。
通過(guò)對這些 mtDNA 缺失的細胞進(jìn)一步研究，研究團隊揭示了一個(gè)關(guān)鍵閾值——約 75% 的線(xiàn)粒體基因組缺失，超過(guò)這一閾值，就會(huì )觀(guān)察到細胞的氧化磷酸化（OXPHOS）蛋白耗竭、代謝紊亂以及在含半乳糖的培養基中生長(cháng)受阻。進(jìn)一步的單細胞多組學(xué)分析鑒定出兩種不同的核基因失調反應：一種在缺失閾值時(shí)被觸發(fā)，另一種則隨著(zhù)異質(zhì)性逐漸增強而作出反應。
最終，研究團隊證明了這種方法能夠對不同細胞類(lèi)型中疾病相關(guān)線(xiàn)粒體 DNA 缺失進(jìn)行建模，并且能夠為靶向療法的開(kāi)發(fā)提供信息。
該研究的核心發(fā)現：
● 末端連接與核酸內切酶聯(lián)合作用可在人類(lèi)細胞中誘導線(xiàn)粒體 DNA（mtDNA）缺失；
● 攜帶大規模 mtDNA 缺失的細胞群中呈現異質(zhì)性全譜分布；
● 異質(zhì)性達到約 75% 的閾值會(huì )引發(fā)線(xiàn)粒體及細胞功能障礙；
● 觀(guān)察到閾值觸發(fā)的核基因表達變化與異質(zhì)性動(dòng)態(tài)感知調控機制。
這項研究不僅提供了工程化 mRNA 缺失的強大工具，還揭示了異質(zhì)性閾值對細胞命運的調控機制，為構建線(xiàn)粒體疾病模型、理解線(xiàn)粒體疾病發(fā)病機制以及開(kāi)發(fā)治療方法奠定了重要基礎。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00194-1
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