工程酶能够精确控制细胞中的线粒体DNA突变水平

线粒体疾病影响全球约1/5000人，导致从肌肉无力到中风样发作的衰弱症状。其中一些疾病是由线粒体DNA（mtDNA）突变引起的，线粒体DNA是这些细胞器中的遗传物质。对于普通m.3243A>；G突变可导致MELAS综合征（线粒体肌病、脑病、乳酸酸中毒和中风样发作）和糖尿病，治疗仍然有限。

线粒体疾病研究中的一个基本挑战是，患者的细胞内通常含有正常和突变的mtDNA。这种被称为异质性的情况使得靶向治疗难以开发，因为正常mtDNA与突变mtDNA的比例在组织之间可能存在很大差异。

此外，由于缺乏疾病模型，目前对mtDNA突变的基础研究面临着重大障碍。突变负荷（突变mtDNA的百分比）与疾病严重程度之间的复杂关系仍然知之甚少，部分原因是没有工具可以在任何方向上精确操纵异质性水平。如果不能创建具有不同突变负载的细胞模型，科学家们就无法有效地研究不同百分比的突变mtDNA与疾病表现的关系。

在此背景下，日本藤田健康大学医学院发育生物学系高级助理教授Naoki Yahata领导的一个研究小组开发了一种技术，可以改变携带m.3243A的培养细胞中的异质性水平>；G突变。

他们的论文发表在《分子治疗核酸》杂志上。该研究由国家神经和精神病学中心的Yu-ichi Goto博士和大阪府立医院组织的Ryuji Hata博士共同撰写。在这篇文章中，他们详细介绍了优化的mtDNA靶向铂转录激活物样效应核酸酶（mpTALENs）的工程和使用，这种酶可以选择性地靶向和切割特定的DNA序列。

研究人员首先建立了含有m.3243A>；G突变，然后设计了两种版本的mpTALEN系统：一种针对突变mtDNA进行破坏，另一种针对正常mtDNA。这种双向方法使他们能够产生突变负荷从低至11%到高达97%的细胞，同时仍然保持细胞分化为各种组织类型的能力。Yahata博士指出：“我们的研究首次证明了可编程核酸酶可以增加致病性突变mtDNA的比例。”。

他们方法的关键创新包括使用新的非常规重复可变二残基和专性异二聚体FokI核酸酶结构域，这增强了该技术的特异性，减少了脱靶mtDNA的不必要降解。该团队还采用了其他技术，如补充尿苷，以建立具有不同突变负荷的稳定细胞系，即使是那些通常可能具有生长劣势的细胞系。

Yahata博士说：“我们的研究结果表明，我们的mpTALEN优化过程为改变m.3243A>；G-iPSCs的异质性水平创造了一个有用的工具，提高了它们研究突变病理学的潜力。这种提高的效率也为将mpTALEN用于治疗m.3243A<；G线粒体疾病患者的治疗策略带来了希望。”。

总体而言，这项研究代表了线粒体医学的重大进步，原因有几个。首先，它为研究人员提供了多个等基因（或基因相同）的细胞系，这些细胞系仅在异质性水平上有所不同。这允许精确研究突变负荷如何影响疾病表现。其次，这表明mpTALEN技术可能对减少患者突变mtDNA载量具有治疗价值。Yahata博士总结道：“我们提出的方法可以适用于其他突变的线粒体DNA，并可能有助于了解其相关的病理学和开发新的治疗方法，可能使各种形式的线粒体疾病患者受益。”。p