Science Advances｜马元武/沈彬团队合作建立大鼠mtDNA编码蛋白基因条件性敲除策略

　　临床上线粒体DNA （mtDNA）致病性突变已发现近百种（www.mitomap.org）。由mtDNA突变导致的线粒体疾病，具有异质性、临床表现多样、发病年龄差异大等特征，目前尚缺乏有效的靶向性治疗药物，其中非常重要的原因是缺乏mtDNA突变的动物模型，致使mtDNA突变引起的线粒体病认识不足。因此，建立疾病相关mtDNA突变动物模型，对于深入理解线粒体疾病、开发治疗策略具有重要意义。

　　2021年，我们首次利用DdCBE建立了大鼠的mtDNA编辑技术体系，构建的G14098A突变大鼠能够能够模拟人对应突变的临床表型，表现出肌耐力下降和扩张性心肌病【1】。近日，马元武课题组与沈彬课题组进一步合作，开发出具有aC位点偏好性的DdCBE工具，并成功应用于建立mtDNA aC位点突变大鼠疾病模型【2】。

　　虽然基于DdCBE已经可以实现mtDNA突变大鼠模型的建立，但建立所有已报道突变的动物模型仍是一项非常具有挑战性的、甚至不可能完成的工作。在进化过程中，绝大部分哺乳动物线粒体基因被转移到细胞核，在线粒体中仅保留了13个蛋白质编码基因和24个辅助这13个蛋白表达的非编码基因。因此，直接敲除这13个线粒体蛋白的编码基因，可以从很大程度上替代逐个模拟mtDNA致病突变，用于探索mtDNA突变与疾病的关系。

　　2023年4月14日，马元武/沈彬团队在Science Advances上发表题为A conditional knockout rat resource of mitochondrial protein-coding genes via a DdCBE-induced premature stop codon的文章【3】，本文利用DdCBE在大鼠mtDNA蛋白编码基因中引入提前终止突变，实现大鼠mtDNA蛋白编码基因的敲除，并结合Cre/loxP系统建立了条件性敲除大鼠，为深入研究线粒体疾病和开发治疗策略提供了细胞和大鼠模型资源。

　　首先，在大鼠C6细胞中，研究人员利用DdCBE将mtDNA 编码基因的W密码子（TGA）或Q密码子（CAA）通过C/G-to-T/A突变引入终止密码子TAA，使得蛋白翻译提前终止，从而实现线粒体编码基因的敲除（图1A）。基于该策略，研究人员建立了除Nd4l外的所有mtDNA蛋白编码基因敲除的C6细胞系（图1B），并进行了蛋白表达水平和氧化磷酸化功能的验证。

图1 大鼠mtDNA编码基因敲除策略图

A，DdCBE介导终止密码子的形成策略；B，12个大鼠mtDNA编码蛋白终止密码子形成位置。

　　线粒体蛋白编码基因在氧化磷酸化功能的维持中发挥极为重要的作用，敲除或将导致胚胎致死，这就导致难以用于研究mtDNA编码蛋白在不同时期和组织器官中的功能。为解决这一难题，研究人员通过结合DdCBE和Cre/loxP系统，建立了线粒体编码基因的条件性突变大鼠。并通过与心脏特异性Cre大鼠（αMHC-Cre）和神经元特异性Cre大鼠（NeuN-Cre）大鼠杂交，实现心肌细胞和神经细胞特异性的线粒体编码蛋白敲除。Nd1和Atp8心肌细胞特异性敲除大鼠表现出心脏扩张，最终发展为心衰导致早期死亡；Nd1和Atp8神经细胞特异性敲除大鼠表现为脑发育异常。基于该技术，最终研究人员建立了6 种mtDNA蛋白编码基因（Nd1、Nd2、Nd5、Cytb、Cox3和Atp8）的条件性敲除大鼠模型（图2）。

图2 mtDNA 编码基因条件性敲除大鼠模型的建立

A，CRISPR/Cas9构建条件性敲除大鼠的策略；B，涵盖4个线粒体复合物的6种mtDNA编码基因的条件性敲除大鼠

　　综上所述，研究人员成功将DdCBE系统应用于大鼠线粒体编码基因的敲除和条件敲除，并建立了线粒体编码基因敲除的细胞和大鼠资源，这些资源将为深入理解mtDNA突变、线粒体功能以及线粒体相关疾病提供重要模型资源。相关模型可以通过大鼠资源库（www.ratresource.com）进行索取。

　　中国医学科学院医学实验动物研究所——卫健委人类疾病比较医学重点实验室马元武研究员和南京医科大学生殖医学与子代健康全国重点实验室沈彬研究员为文章的共同通讯作者。南京医科大学的谭磊和靳佳川、中国医学科学院医学实验动物研究所的齐晓龙、孔维宁、吕丹和张旭是文章的共同第一作者。

 

原文链接：

http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf2695.

 

参考文献

1. Precision modeling of mitochondrial disease in rats via DdCBE-mediated mtDNA editing.  Cell Discov. 2021 Oct 19;7(1):95. doi: 10.1038/s41421-021-00325-7.
2. Expanding DdCBE-mediated targeting scope to aC motif preference in rat. Mol Ther Nucleic Acids. 2023 Feb 26;32:1-12. doi: 10.1016/j.omtn.2023.02.028. eCollection 2023 Jun 13.
3. A conditional knockout rat resource of mitochondrial protein-coding genes via a DdCBE-induced premature stop codon. Science Advances. 2023.