Cell系列綜述：韓雪祥/徐瑩/魏迎輝系統解讀線粒體基因編輯的工具與遞送技術

編譯丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

線粒體是哺乳動物細胞中受雙重遺傳控制的半自主細胞器。在超過二十億年的進化過程中，線粒體保留了兩個關鍵特征——作為“能量工廠”生成 ATP 的能力，以及被雙層膜包裹的環狀線粒體 DNA（mtDNA）。

線粒體 DNA 編碼了 22 種轉運 RNA（tRNA）、2 種核糖體 RNA（rRNA）和 13 種蛋白質。tRNA 和 rRNA 參與線粒體基質內的蛋白質翻譯，而 13 種蛋白質則作為線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）系統的亞基，該系統對于電子和質子的轉運至關重要。然而，大多數 OXPHOS 蛋白質（至少 70 種）由核基因編碼，隨后被導入線粒體。因此，核基因或 mtDNA 的紊亂，都會破壞線粒體呼吸鏈，損害 ATP 生成，并導致線粒體功能障礙。這些疾病被歸類為原發性線粒體疾病（PMD），通常表現為復雜的多器官受累，且往往難以治療。

由于線粒體 DNA（mtDNA）的多拷貝特性，其突變通常表現為基因型與表型之間復雜的關聯，且個體差異顯著。由于線粒體的雙層膜結構，靶向 mtDNA 的基因修飾受到限制，這阻礙了疾病建模、發病機制的理解以及治療手段的發展。

近年來，通過線粒體靶向肽，細胞質中表達的基因編輯蛋白已成功被遞送至線粒體，在體外和體內模型中實現了 mtDNA 突變的靶向建立和校正。然而，提高編輯效率和減少脫靶效應仍是工具開發中的關鍵挑戰。此外，開發能夠靶向多個組織的遞送系統將增強線粒體基因編輯的臨床適用性。

2025 年 11 月 13 日，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心韓雪祥、華東師范大學藥學院徐瑩、西北農林大學動物科技學院魏迎輝等在 Cell 子刊 Cell Biomaterials 上發表了題為：Tools and delivery technologies for mitochondrial gene editing 的綜述論文。

該綜述概述了適用于不同遺傳背景的各種線粒體基因編輯工具以及當前的細胞質靶向遞送技術。這些遞送策略依賴于線粒體蛋白質導入機制的完整性，但受限于導入效率低，尤其是對于大型的編輯蛋白而言。該綜述還總結了繞過線粒體膜直接將轉基因/蛋白質遞送至線粒體基質的線粒體靶向遞送技術，作為一種潛在替代方案，旨在啟發線粒體基因編輯應用的創新遞送方法。

線粒體 DNA（mtDNA）是一種獨立于細胞核 DNA 的多拷貝環狀基因組，在細胞能量產生中發揮著不可或缺的作用。致病性 mtDNA 突變常常導致使人衰弱的多系統疾病。

基因編輯技術的最新進展推動了新型 mtDNA 操作工具的發展。然而，安全有效地將其遞送至靶細胞或器官，對于開發成功的線粒體療法至關重要。

在這篇綜述中，作者們系統總結了當前線粒體基因編輯工具的現狀，并重點關注其優化過程。該綜述回顧了用于生成或糾正 mtDNA 突變的細胞質靶向遞送技術。還討論了線粒體靶向遞送技術及其在線粒體基因治療中的應用，并展望了其在原位 mtDNA 編輯方面的潛力。最后，作者們為線粒體基因編輯的進一步發展提供了觀點。

線粒體基因編輯的異質性動態及機制基礎

線粒體靶向的核酸酶

線粒體靶向的堿基編輯器

通過細胞質靶向遞送技術實現線粒體基因編輯的分配位點表達策略

細胞質靶向遞送技術的進展與應用

線粒體靶向的基因遞送技術的關鍵里程碑

線粒體靶向的納米載體的組成與應用

總的來說，持續開發高效且安全的線粒體基因編輯工具，并結合針對患者個體的遞送載體，對于推進這一領域的發展至關重要。創新的線粒體靶向遞送技術具有顯著潛力，能夠提高線粒體 DNA 的可及性，推動線粒體遺傳學研究，并最終解鎖線粒體 DNA 編輯的治療應用。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(25)00245-4