中山大学校友一作Cell论文：首次实现线粒体基因组大片段缺失，揭开线粒体崩溃生死线

生物世界

2025-03-11 12:41发布于上海科学领域创作达人

AI划重点 · 全文约1658字，阅读需5分钟

1.中山大学校友一作Cell论文首次实现线粒体基因组大片段缺失，揭开线粒体崩溃生死线。

2.研究团队通过共表达DNA末端连接机制和线粒体靶向特异性核酸内切酶，成功实现了约3.5 kb的mtDNA缺失。

3.研究发现，线粒体基因组缺失超过75%时会引发线粒体及细胞功能障碍。

4.此外，研究还揭示了异质性阈值对细胞命运的调控机制，为构建线粒体疾病模型、理解发病机制及开发治疗方法奠定基础。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

线粒体（mitochondrion），是细胞的“能量工厂”，作为一种半自主细胞器，线粒体拥有一套独立于细胞核的遗传物质——线粒体 DNA（mtDNA），人类 mtDNA 的长度为 16569bp，拥有 37 个基因，编码 13 种蛋白，这些蛋白都参与细胞的呼吸和能量代谢。

mtDNA 易发生突变，包括碱基替换和缺失，从而导致多种线粒体疾病。据统计，大约 5000 个成年人中就有 1 人患有线粒体遗传病。近年来，刘如谦团队等开发出了能够精准编辑线粒体 DNA（mtDNA）的基因编辑工具。然而，这些基因编辑工具只能实现 mtDNA 的碱基替换或消除致病点突变，对于 mtDNA 的大规模缺失仍束手无策。

mtDNA 的大规模缺失，范围从 1.8 - 8 kb 不等，是包括进行性眼外肌麻痹（PEO）、Pearson 综合征以及 Kearns-Sayre 综合征在内的线粒体疾病的常见原因，还与衰老和神经退行性病变有关。因此，我们需要开发新技术以重建线粒体疾病相关 mtDNA 缺失，从而深入研究这些疾病和开发相应治疗方法。

2025 年 3 月 10 日，纪念斯隆凯特琳癌症中心 Agnel Sfeir 团队（Yi Fu 博士为第一作者）在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：Engineering mtDNA deletions by reconstituting end joining in human mitochondria 的研究论文。

该研究通过在人类细胞中共表达 DNA 末端连接（end-joining，EJ）机制和线粒体靶向的特异性核酸内切酶，在一系列细胞中成功实现了约 3.5 kb 的 mtDNA 缺失，并进一步探索了 mtDNA 缺失的生物学影响，发现了 75% 的异质性阈值——缺失型 mtDNA 占比超过 75% 时，线粒体和细胞会出现严重功能受损。

这项研究不仅提供了工程化 mRNA 缺失的强大工具，还揭示了异质性阈值对细胞命运的调控机制，为构建线粒体疾病模型、理解线粒体疾病发病机制以及开发治疗方法奠定了重要基础。

论文第一作者 Yi Fu 博士，2013年本科毕业于中山大学，博士毕业于纽约大学，现为华盛顿大学博士后研究员。

mtDNA 缺失主要是散发性的，通常不是典型遗传性的，并且随着时间的推移而累积，特别是在肌肉和脑等有丝分裂后组织中。在某些情况下，mtDNA 缺失的累积与核编码的线粒体复制体成分的突变相关。通常情况下，突变型 mtDNA 与野生型 mtDNA 以异质性状态共存，并在异质性水平超过临界阈值时表现为临床表型。

由于在人类细胞中编辑 mtDNA 和模拟致病 mtDNA 缺失的困难，导致其致病机制尚不清楚。特别是，缺失的 mtDNA 如何损害线粒体和细胞功能、它们以病理方式表现的阈值以及它们激活了什么转录反应，目前都不清楚。

在这项最新研究中，研究团队设计了一种简单、高效且易于操作的双组分系统，用于在不同细胞类型中实现特定的线粒体 DNA（mtDNA）缺失。该方法通过在人类细胞中共表达 DNA 末端连接（end-joining，EJ）机制和线粒体靶向的特异性核酸内切酶，在一系列细胞中成功实现了约 3.5 kb 的 mtDNA 缺失。

通过对这些 mtDNA 缺失的细胞进一步研究，研究团队揭示了一个关键阈值——约 75% 的线粒体基因组缺失，超过这一阈值，就会观察到细胞的氧化磷酸化（OXPHOS）蛋白耗竭、代谢紊乱以及在含半乳糖的培养基中生长受阻。进一步的单细胞多组学分析鉴定出两种不同的核基因失调反应：一种在缺失阈值时被触发，另一种则随着异质性逐渐增强而作出反应。

最终，研究团队证明了这种方法能够对不同细胞类型中疾病相关线粒体 DNA 缺失进行建模，并且能够为靶向疗法的开发提供信息。

该研究的核心发现：

末端连接与核酸内切酶联合作用可在人类细胞中诱导线粒体 DNA（mtDNA）缺失；

携带大规模 mtDNA 缺失的细胞群中呈现异质性全谱分布；

异质性达到约 75% 的阈值会引发线粒体及细胞功能障碍；

观察到阈值触发的核基因表达变化与异质性动态感知调控机制。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00194-1

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