线粒体遗传病治疗新希望：科学家首次利用基因编辑技术在动物体内实现修复线粒体DNA突变
作者：神经内科 王栋栋
线粒体号称是人体的“能量工厂”，在人体的能量代谢中起到非常重要的作用。线粒体内有一套独立于细胞核的遗传物质——线粒体DNA（mtDNA）。与细胞核DNA不同的是，每个细胞中的mtDNA拷贝数是不等的，且mtDNA突变率比细胞核DNA要高出许多倍，一旦mtDNA突变率超过一定范围，不足以维持正常的线粒体呼吸链功能，组织或器官就会出现功能异常，引起线粒体疾病。
mtDNA突变导致的疾病，临床症状非常复杂，从肌肉无力到心脏病不等，目前已知的线粒体疾病大多数（约100多种）与mtDNA突变有关，包括常见的线粒体脑肌病（MELAS）、耳聋、癫痫以及肌肉无力等。不过，在大部分患者体内，并不是所有的mtDNA都发生了突变，而是突变的mtDNA与正常的mtDNA共同存在，患者发病的严重程度，依赖于二者之间的比例。突变的mtDNA占比越高，患者的疾病越严重；若突变的mtDNA占比足够低，携带突变的人就可能不会表现出临床疾病症状。通常情况下， mtDNA突变达到50%，携带者就会表现出疾病症状。因此，降低患者体内突变的mtDNA所占比例，使产生更多正常的线粒体，是治疗线粒体疾病的重要策略之一。
近日，来自剑桥大学的研究团队和迈阿密大学的研究团队，分别以“Genome editing in mitochondriacorrects a pathogenic mtDNA mutation in vivo” 和“MitoTALEN reduces mutant mtDNA loadand restores tRNAAla levels in a mouse model of heteroplasmic mtDNAmutation”为题背靠背在著名期刊《Nature Medicine》上发表了两篇重要的研究论文。他们分别使用老牌的基因编辑技术ZFN和TALENs成功在动物体内消除了导致线粒体疾病的突变mtDNA。这是科学家首次用基因编辑技术在体内编辑线粒体DNA。这两项研究也给线粒体疾病（MELAS、耳聋、癫痫、肌肉无力等）这类常见的、无药可医的遗传病治疗带来了治愈的希望。
锌指核酸酶（ZFNs）和转录激活子样效应核酸酶（TALENs）是两种老牌的基因编辑工具酶。利用两种工具酶构建的基因编辑系统可以靶向切割突变的mtDNA，引起mtDNA断裂。此时，线粒体就会自动清除断裂的mtDNA，从而大幅减少体内有缺陷的mtDNA的数量。同时，为了保持线粒体内DNA数量的稳定，新的mtDNA又会合成，正常的mtDNA就有机会变得更多，从而抵消突变mtDNA的影响，疾病症状就有机会得到治愈或缓解。其实早在多年以前，科学家就已经使用ZFNs和TALENs基因编辑技术在体外细胞水平成功消除了细胞内突变的mtDNA。然而，在复杂的动物体内，由于种种技术困难的存在，基因编辑技术能否纠正突变的mtDNA仍未可知。
来自剑桥大学的研究团队采用ZFNs编辑系统将切割特定mtDNA突变位点的ZFN编辑系统放到靶向心肌细胞的载体病毒中，通过尾部静脉注射到小鼠体内，病毒载体将ZFN编辑系统投放到心脏中。分析数据发现，给小鼠注射中等剂量的病毒载体后，小鼠心脏细胞内的突变mtDNA比例从73%下降到37%，降低近50% （图1）。不仅如此，小鼠的心脏代谢功能也得到明显改善（图2）。
图1. 靶向心脏AAV病毒介导的ZFN基因编辑系统降低心脏内突变mtDNA所占比例
图2. ZFN基因编辑降低突变mtDNA比例可改善小鼠心脏代谢功能
来自迈阿密大学米勒医学院的研究团队，设计思路跟剑桥大学的研究团队类似，只不过采用的是TALENs编辑系统。研究人员也观察到小鼠骨骼肌中突变的mtDNA占比降低到了50%以下（图3）。
图3. mitoTALEN基因编辑降低骨骼肌中突变mtDNA比例
线粒体疾病属于母系遗传病，虽可以通过适当干预、可以延缓疾病的进程，但尚缺乏针对线粒体病有效的基因治疗对策，本次基因编辑技术消除动物的线粒体mtDNA突变的症状，无疑为线粒体疾病的临床治疗带来了曙光。
虽然目前都还处在研究阶段，但总算未来可期！
编者按：随着天气转冷，线粒体病患者的日子也愈发难熬，近期连续碰上三、四个MELAS的家系，其中还有一对双胞胎，一家中只剩下父亲还健健康康的，给这些父亲讲病情时都能感觉到他们那种绝望的痛苦的无助的眼神，但最后还是要给他们打气，现在科技发展很快，说不定很快线粒体病就可以进行基因治疗了，他们听了以后都会表达同样的期待 “那赵大夫等有了治疗办法，您可一定要通知我们啊”。之前讲这话觉得心虚，但现在再讲最起码有了底气！期待，线粒体病基因治疗时代的到来！
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