如果把神經(jīng)退行性疾病比作一座日漸崩塌的能量宮殿，線粒體 DNA（mtDNA）無疑是那塊最易破裂、卻至關(guān)重要的地基。近年來，一種不為大眾熟知卻被科學界寄予厚望的策略正在悄然鋪開——修復線粒體內(nèi)部的基因結(jié)構(gòu)，重新點燃細胞的能量引擎，挽救那些緩慢死亡的神經(jīng)元。

 

從帕金森?。≒D）、阿爾茨海默?。ˋD），到亨廷頓舞蹈病（HD）和肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS），研究者們正試圖繞過傳統(tǒng)蛋白靶點干預路徑，深入線粒體基因組內(nèi)部，通過精準的堿基編輯技術(shù)，抹去那些導致功能失調(diào)的突變「筆跡」，從根源干預疾病發(fā)生機制。

 

今天，《國際醫(yī)藥商情》這篇文章將梳理這一領(lǐng)域的最新研究動態(tài)與技術(shù)進展，尤其聚焦 DdCBE、TALED、mitoZFDs 等新一代編輯工具的應用潛力，并評估其在治療神經(jīng)退行性疾病中的可行性、瓶頸與未來走向。

 

 

 

Part 1

打破線粒體封閉體系，基因編輯的新突圍

 

在基因編輯技術(shù)持續(xù)高歌猛進的當下，線粒體基因卻一直是被「遺忘的角落」。

 

原因不難理解——線粒體具有獨立于細胞核的基因組，不僅結(jié)構(gòu)緊湊、遺傳規(guī)則特殊（主要為母系遺傳），更關(guān)鍵的是，它被兩層脂質(zhì)雙層膜緊密包裹，仿佛一座分子層級上的孤島，拒絕大部分外源編輯工具的進入。

 

 

 

最早一批嘗試突破這一「封閉體系」的，是人工核酸酶類工具，包括線粒體鋅指核酸酶（mitoZFN）與線粒體轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應物核酸酶（mitoTALEN）。這兩種技術(shù)都基于「蛋白識別 + 核酸酶切割」的基本邏輯，通過添加線粒體靶向序列（MTS），使得這些蛋白編輯工具可以進入線粒體內(nèi)進行特定位點的雙鏈 DNA 切割。

 

 

然而，這種「定點清除突變 mtDNA」的策略，在實際應用中面臨兩個困局：其一是編輯效率低，難以建立持續(xù)的治療效果；其二是僅能切除突變，無法進行精確的堿基替換修復，對一些致病突變而言，仍顯力不從心。

 

真正改變局勢的，是基于脫氨酶的線粒體堿基編輯技術(shù)（mitochondrial base editors）的出現(xiàn)。

 

其中最具代表性的，是 2020 年由美國博德研究所（Broad Institute）的 David R. Liu 團隊與 Joseph D. Mougous 團隊開發(fā)的DdCBE（double-stranded DNA cytosine base editor，雙鏈 DNA 胞嘧啶堿基編輯）。

 

 

該系統(tǒng)將一對 DddA 脫氨酶亞基分別連接至 TALE DNA 識別模塊上，并配合尿嘧啶 DNA 糖基化酶抑制劑（UGI）構(gòu)建而成，能夠在不切斷 DNA 雙鏈的情況下，實現(xiàn)精準的 C-to-T 點突變編輯。這一系統(tǒng)不依賴向線粒體引入 gRNA，因此規(guī)避了 CRISPR-Cas9 無法進入線粒體的天然限制。

 

繼 DdCBE 之后，研究者們進一步構(gòu)建出 mitoZFDs（線粒體鋅指脫氨酶）與 TALEDs（轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應物腺嘌呤脫氨酶），分別實現(xiàn)了更小體積、更高包裝效率的堿基編輯，以及首個 A-to-G 堿基替換操作。這意味著，研究者已經(jīng)能夠在 mtDNA 中覆蓋更廣泛的點突變類型，并有機會對絕大多數(shù)線粒體遺傳病位點實現(xiàn)理論上的編輯可及性。

 

 

更進一步，mitoBEs（線粒體雙脫氨酶系統(tǒng)）將 nickase 酶與脫氨酶組合，甚至可以同時實現(xiàn) A-to-G 與 C-to-T 的雙向編輯，在模型細胞中展現(xiàn)出更高效率、更低脫靶的特性。相比于傳統(tǒng)的基因敲除或突變拮抗技術(shù)，這些不切斷雙鏈的「軟性編輯」手段無疑更具安全性，尤其適合應用于神經(jīng)系統(tǒng)這種對氧化應激與突變高度敏感的組織。

 

 

技術(shù)上的突破使得線粒體基因編輯從不可能走向可能，但另一個問題也隨之浮現(xiàn)——如何將這些復雜的蛋白編輯系統(tǒng)「精準投遞」進細胞線粒體內(nèi)部？

 

目前，研究者們主要依賴三種策略——其一是 MTS 肽段引導，通過自然的線粒體蛋白轉(zhuǎn)運通路將編輯酶引入胞器內(nèi)；其二是病毒載體系統(tǒng)（如 AAV），借助病毒自身的跨膜運輸能力，將編輯組件送達特定組織線粒體中；其三是新興的非病毒遞送工具，如脂質(zhì)納米粒子（LNP）與類病毒顆粒（VLP），正在為更大體積的編輯系統(tǒng)探索更安全的交付路徑。

 

不過，無論是哪種方式，目前最核心的瓶頸仍在「有效負載與線粒體靶向效率」之間的平衡問題。

 

AAV 的包裝容量有限，不足以一次性負載完整的 DdCBE 或 TALED；而 LNP 系統(tǒng)雖然容量充裕，但線粒體內(nèi)吞能力極弱，仍在實驗室早期探索階段。即便如此，研究者仍然通過如「環(huán)狀 RNA 編碼的 mitoBEs」等方式，試圖在編輯效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性與靶向特異性之間找到最佳解法。

 

 

Part 2

線粒體 DNA 變異

驅(qū)動神經(jīng)退行性疾病的 4 種典型路徑

 

在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病鏈條中，線粒體 DNA 的角色一直被低估。

 

如今，隨著超高通量測序與單細胞技術(shù)的發(fā)展，研究者開始逐步揭開 mtDNA 突變在不同類型神經(jīng)元死亡過程中的真實面貌。

 

帕金森病（PD）、阿爾茨海默病（AD）、亨廷頓?。℉D）、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）——這四種最常見、最具社會負擔的 NDD，其背后都藏有線粒體功能障礙的痕跡，而線粒體 DNA 突變，正是那個引爆多米諾骨牌的起始點。

 

 

帕金森?。≒D）：

線粒體拷貝數(shù)調(diào)控失衡與突變積聚

 

帕金森病的核心病理是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的進行性退化死亡。盡管 α-突觸核蛋白（α-syn）聚集、Lewy 小體形成是診斷依據(jù)，但其根本驅(qū)動力之一卻是線粒體功能崩潰。

 

早在 2010 年前后，就有研究指出，帕金森患者黑質(zhì)區(qū)域中 mtDNA 的大量缺失與拷貝數(shù)下降密切相關(guān)。新近的研究進一步明確——不是點突變本身，而是 mtDNA 拷貝數(shù)調(diào)節(jié)機制的失靈，才是驅(qū)動線粒體功能惡化的關(guān)鍵因子。挪威卑爾根豪克蘭大學醫(yī)院神經(jīng)系統(tǒng)醫(yī)學中心的 Christian Dölle 等人的研究顯示，mtDNA 拷貝數(shù)在 PD 患者神經(jīng)元中顯著下降，導致野生型 mtDNA 不足以維持線粒體正常呼吸鏈功能，最終導致能量危機和細胞凋亡。

 

此外，多個核編碼線粒體維護基因（如 POLG、c10orf2 和 MPV17）也在 PD 患者中發(fā)現(xiàn)功能障礙，暗示 PD 可能是一種「核-線粒體互作紊亂型」疾病。在甲基化水平方面，PD 患者 D-loop 區(qū)域表現(xiàn)出明顯去甲基化，可能干擾 mtDNA 復制起始，進一步加劇突變與缺失。

 

 

阿爾茨海默病（AD）：

突變頻率升高與表觀遺傳調(diào)控異常

 

阿爾茨海默病的線粒體路徑略有不同。研究者發(fā)現(xiàn)，AD 患者海馬體區(qū)域的 mtDNA 突變頻率顯著升高，尤其是 COX III 基因中的 T→C 突變，與線粒體氧化磷酸化能力下降高度相關(guān)。英國紐卡斯爾大學的 Kim J. Krishnan 等人的研究指出，COX 缺陷神經(jīng)元在 AD 患者中顯著增加，而這一缺陷可追溯至 mtDNA 編碼亞基的突變。

 

除了突變，線粒體 DNA 的甲基化模式也發(fā)生顯著變化。西班牙貝爾維奇大學醫(yī)院的 Marta Blanch 團隊在 AD 早期患者的嗅皮質(zhì)與 D-loop 區(qū)域中觀察到明顯的 CpG 與非 CpG 位點甲基化升高；另有研究指出，在 APP/PS1 小鼠模型中，D-loop 區(qū)域甲基化下降與 mtDNA 拷貝數(shù)減少并存，暗示其在疾病早期即已介入。

 

這些變化并非孤立事件，而可能通過 mt-ncRNA（線粒體編碼或核編碼非編碼 RNA）參與核-線粒體之間的雙向信號調(diào)控，進一步干擾細胞能量代謝與凋亡路徑。

 

 

亨廷頓?。℉D）：

突變負荷與基因表達協(xié)同破壞

 

HD 是一種由 HTT 基因 CAG 重復擴增所致的單基因常染色體顯性遺傳病，但 mtDNA 突變在其發(fā)病過程中扮演著協(xié)同作用。

 

研究顯示，HD 患者全基因組 mtDNA 中 13 個蛋白編碼區(qū)均可檢測到不同程度的突變異質(zhì)性，且其水平與患者運動與認知能力惡化成負相關(guān)?？的螤柎髮W的 Yiqin Wang 等人在長期隨訪樣本中發(fā)現(xiàn)，mtDNA 突變負荷越高，HD 患者表現(xiàn)出更明顯的認知退化。

 

此外，R6/2 與 STHdhQ111 這兩種 HD 小鼠模型也分別表現(xiàn)出 mtDNA 拷貝數(shù)下降與損傷積累，進一步佐證了線粒體通路在 HD 發(fā)病中的核心地位。研究發(fā)現(xiàn)，tRNALeu 基因中的 m.3244 突變在 HD 樣本中高度流行。鑒于 mitoTALEN 已在其他 tRNA 突變模型（如tRNAAla m.5024C>T突變小鼠）中證明能夠顯著降低突變 mtDNA 水平，未來針對 tRNALeu 位點開發(fā)的線粒體堿基編輯器可能成為緩解或延緩 HD 進展的潛在治療策略。

 

 

肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）：

線粒體甲基化改變與補償機制推演

 

ALS 的病因更加復雜，涵蓋 SOD1、C9orf72、FUS 等多種核基因突變。然而，mtDNA D-loop 區(qū)甲基化水平與拷貝數(shù)呈顯著負相關(guān)的發(fā)現(xiàn)，為理解 ALS 中的線粒體代謝失衡提供了新線索。

 

具體而言，在 SOD1 與 C9orf72 突變攜帶者中，盡管 mtDNA 拷貝數(shù)增加，但其調(diào)控區(qū) D-loop 甲基化水平卻下降，提示細胞可能存在一種「線粒體能量補償機制」，試圖通過增加 mtDNA 數(shù)量來對抗線粒體損傷。這種調(diào)節(jié)過程一旦被打破，便可能轉(zhuǎn)為病理性代償，加速運動神經(jīng)元退化。

 

目前，ALS 的基因治療已進入臨床階段，但大多聚焦于核基因突變干預。若能結(jié)合線粒體基因編輯工具，在 mtDNA 層面進行精細化調(diào)控，或?qū)?ALS 治療打開新窗口。

 

 

 

Part 3

線粒體編輯技術(shù)的現(xiàn)實挑戰(zhàn)與未來可能

 

在科研論文的頁腳，線粒體基因編輯的每一項突破都寫得令人振奮，但在轉(zhuǎn)化醫(yī)學的時間軸上，這些技術(shù)距離真正「落地」仍有一段崎嶇的距離。

 

尤其是在神經(jīng)退行性疾病這樣復雜且高度異質(zhì)的疾病譜中，如何從動物模型的「可編輯」跨越到人類臨床的「可治療」，是擺在所有研究者面前最沉重的命題。

 

第一個難題，是遞送系統(tǒng)的「工程化瓶頸」。

 

目前被廣泛使用的 AAV 載體雖然已經(jīng)在某些罕見病基因療法中獲得 FDA 批準，但其最大包裝能力小于5 kb，這對于體積龐大的 DdCBE 或 TALED 而言已接近極限。

 

更復雜的是，線粒體靶向需要在原有基礎(chǔ)上增加MTS等定向標簽，使得「裝載困難」的問題愈發(fā)嚴峻。即便通過雙載體系統(tǒng)、Split-Intein 拼接等手段勉強解決結(jié)構(gòu)問題，遞送效率、穩(wěn)定表達與組織特異性表達仍難以兼顧。研究者正嘗試以類病毒顆粒（VLP）、LNP 甚至自組裝蛋白納米籠為基礎(chǔ)，構(gòu)建全新的線粒體遞送平臺，但距離臨床應用仍屬前沿探索階段。

 

第二個瓶頸，是脫靶效應的控制。

 

與核基因編輯不同，線粒體缺乏 NHEJ 或 HDR 等高效的雙鏈斷裂修復機制，主要依賴堿基切除修復（BER）等相對有限的修復途徑，一旦發(fā)生非特異性剪切，往往難以有效修復，幾乎意味著不可逆的功能喪失。此前關(guān)于 DdCBE 的研究曾指出，即使在未進行 DNA 靶向的情況下，其 DddAtox 半酶分子也可能在細胞中自發(fā)重組，導致隨機 C→T 突變，甚至波及核 DNA。為此，研究者開發(fā)了 NES-DdCBE（攜帶核輸出信號）等策略，試圖降低核定位錯誤，并通過工程化改造 DddAtox 結(jié)構(gòu)、引入天然抑制元件等方式抑制「野性表達」的風險。

 

但更棘手的問題在于，長期表達帶來的線粒體突變積累效應，可能在未來數(shù)月甚至數(shù)年后才顯現(xiàn)為系統(tǒng)性病理。這意味著臨床試驗必須進行超長周期的追蹤與安全性驗證，對研究資源和倫理體系提出極高要求。

 

第三個現(xiàn)實障礙，是對 mtDNA 動態(tài)變化的系統(tǒng)認知尚不足。

 

與固定突變位點不同，線粒體內(nèi)的 mtDNA 呈現(xiàn)出高度的異質(zhì)性與動態(tài)重組趨勢。在某些組織中，突變 mtDNA 即使僅占 20%也能觸發(fā)病變，而在另一些組織中，可能需要超過 60%才會顯現(xiàn)功能障礙。這種所謂「閾值效應」意味著，編輯策略不應僅追求全清或全修，而應建立在組織特異、劑量可控、干預時間窗明確的基礎(chǔ)上。因此，未來的發(fā)展方向之一，是通過數(shù)學建模與系統(tǒng)生物學工具，模擬個體異質(zhì)性下的最佳編輯劑量、干預時機與突變替代比例，實現(xiàn)更加精細化的治療方案制定。

 

第四個現(xiàn)實挑戰(zhàn)，是倫理監(jiān)管的約束與未來風險。

 

UNESCO 和 WHO 等國際組織對基因編輯監(jiān)管日趨嚴格。2021 年，WHO 發(fā)布首個全球基因組編輯治理框架，強調(diào)技術(shù)應用必須「安全、有效且合乎倫理」。線粒體基因編輯面臨種系遺傳風險——由于線粒體 DNA 通過母系遺傳，編輯后的遺傳修飾可能傳遞給后代。目前僅英國合法化某些線粒體替代技術(shù)，且嚴格限制在預防嚴重遺傳疾病范圍內(nèi)。安全性方面，最新研究證實即便先進的 DdCBE 系統(tǒng)也存在核基因組脫靶編輯風險，長期影響仍需深入評估。WHO 國際共識是，在安全性和有效性充分驗證前，不應進行可遺傳的人類基因組編輯。

 

 

Part 4

結(jié)語

下一個突破窗口，會在中國嗎？

 

在全球線粒體編輯研究競速中，中國正在迅速崛起。中國在線粒體基因編輯技術(shù)方面已有重要進展，相關(guān)研究得到國家重點研發(fā)計劃等重要資助支持。不過，在創(chuàng)新性突破方面仍需提升。

 

在神經(jīng)退行性疾病負擔方面，中國正面臨巨大挑戰(zhàn)。

 

首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院馮濤團隊基于 2021 年全球疾病負擔研究（GBD 2021）的數(shù)據(jù)，預測了 2050 年全球 195 個國家和地區(qū)的帕金森病患病率，公布在《英國醫(yī)學雜志》。其中預計到 2050 年，中國將成為帕金森病患病率最高的國家（583 例/10 萬人）。

 

 

根據(jù)《General Psychiatry》期刊 2022 年發(fā)布的《中國阿爾茨海默病報告》，截至 2019 年，中國 60 歲及以上人群中，阿爾茨海默病患者約為 983 萬人 。

 

中國學者在線粒體堿基編輯技術(shù)方面已有重要貢獻，特別在神經(jīng)退行性疾病研究領(lǐng)域，中國論文產(chǎn)出數(shù)量已位居世界第二位，近十年年復合增長率高達 20.01%。

 

以上海為代表的地區(qū)已出臺專門的基因治療產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案（2023-2025 年），推動基因治療科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

 

 

線粒體基因編輯確實是一項長期主義工程，其面對的是高度異質(zhì)、進展緩慢但不可逆的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，對安全性、持久性、可控性要求極高。然而，正是這種對技術(shù)精度的極致要求，可能為中國在這一前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破提供機會。

 

在全球競爭中，時間窗口有限但機遇真實。若能在技術(shù)創(chuàng)新、監(jiān)管完善、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化等方面協(xié)同發(fā)力，線粒體基因編輯技術(shù)有望成為中國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)在國際舞臺上的重要突破口，為全球數(shù)以千萬計的神經(jīng)退行性疾病患者帶來新的治療希望。

 

 

參考資料：

• Ye, H., Song, Y., Wang, W., Shi, J., & Chen, X. (2025). Mitochondrial DNA editing: Key to the treatment of neurodegenerative diseases. Genes & Diseases, Volume 12, Article 101437. 

• Blanch, M., Mosquera, J. L., Ansoleaga, B., et al. (2016). Altered mitochondrial DNA methylation pattern in Alzheimer disease-related pathology and in Parkinson disease. Acta Neuropathologica Communications, 4(1), 24. 

• Doxzen, K. W., & Huang, M. (2022). Extensive off-target editing by cytosine base editors in nuclear DNA of human cells. Nature, 610(7933), 416–424. 

• Zhou, Y., et al. (2022). China Alzheimer Report 2022. General Psychiatry, 35(1):e100751. 

• Yang, W., et al. (2024). Forecasting Parkinson’s disease burden to 2050. The BMJ, 388, e080952.

 

來源：國際醫(yī)藥商情

作者：John Xie